化学は、驚くほど小さな一連の主要な公式に基づいて構築されています。これらをマスターすれば、A レベル、AP、大学 1 年生の問題の大部分に取り組むことができます。このガイドでは、最も重要な方程式、つまり方程式の意味、使い方、学生がよく犯す間違いについて説明します。

モルとモル濃度

定量化学におけるすべてはモルから始まります。あらゆるものの 1 モルには、6.022 × 10 ㎡ の粒子 (アボガドロ数) が含まれています。質量、モル、モル質量の関係は次のとおりです。

n = m / M

ここで、n はモル、m はグラム単位の質量、M は g/mol 単位のモル質量です (周期表の原子質量を合計することで求められます)。

モル濃度 は、これを溶液に拡張します。

M = n / V

濃度（mol/L）は、モルを体積（リットル）で割ったものに等しい。 NaCl の 0.1 M 溶液には、溶液 1 リットルあたり 0.1 モルの塩化ナトリウムが含まれます。

よくある間違い: 生徒は割る前に体積をリットルに変換することを忘れることがよくあります。 500mLは500ではなく0.5Lです。

希釈の計算式

溶液に溶媒を加えると、濃度が下がっても溶質のモルは一定に保たれます。

C₁V₁ = C₂V₂

例: 2 M HCl 溶液 50 mL があり、0.5 M HCl が必要です。最終的にどのくらいのボリュームが必要ですか?

2 × 50 = 0.5 × V₂
V₂ = 200 mL

元の 50 mL に 150 mL の水を加えます。熱を安全に放散させるために、必ず水に酸を加えてください (逆にしないでください)。

ガス法

3 つの古典的な気体法則が 1 つの強力な方程式に結合されます。

P₁V₁ / T₁ = P₂V₂ / T₂

これは 結合気体の法則 であり、1 つの変数を定数に保持することで、それぞれの個別の法則を復元できます。

法 絶え間ない 関係
ボイルさんの 温度 P₁V₁ = P₂V₂
チャールズの プレッシャー V₁/T₁ = V₂/T₂
ゲイ・リュサックの 音量 P₁/T₁ = P₂/T₂

重要なルール: 温度は常にケルビン単位である必要があります。 K = °C + 273.15 を使用して変換します。摂氏の使用は、試験で最もよくある間違いの 1 つです。

単一セットの条件における 理想気体法則の場合:

PV = nRT

ここで、R = 8.314 J/mol・K (または 0.08206 L・atm/mol・K)。圧力が大気圧であり、体積がリットルである場合は、2 番目の値を使用します。

化学量論: モル比法

化学量論では、平衡方程式を使用して反応物質と生成物の質量の間で変換します。方法は常に同じ 4 つのステップです。

  1. 方程式のバランス
  2. 変換 指定された質量 → モル (モル質量で割る)
  3. 方程式のモル比を使用して スケール
  4. 変換 逆→質量 (モル質量を掛ける)

例: 18 g の H2 が過剰の O2 と反応すると、何グラムの水が生成しますか?

2H₂ + O₂ → 2H₂O
  • 18 g H₂ ÷ 2 g/mol = 9 mol H₂
  • 比率は 2:2 なので、9 mol H₂ → 9 mol H₂O
  • 9 mol × 18 g/mol = 162 g H₂O

パーセント収量

実際の反応では、副反応、不完全な変換、および取り扱い上の損失により、収率が 100% になることはありません。

% yield = (actual yield / theoretical yield) × 100

化学量論では 162 g の水が予測されているのに、145 g の水が回収された場合:

% yield = (145 / 162) × 100 = 89.5%

エンタルピーとヘスの法則

エンタルピー変化 (ΔH) は、一定の圧力で放出または吸収される熱を測定​​します。熱量測定の場合:

q = m × c × ΔT

ここで、水の c = 4.18 J/g·°C。

ヘスの法則 では、ΔH は経路に依存しないと述べられています。方程式 (およびその ΔH 値) を追加すると、直接測定できない反応のエンタルピーを求めることができます。方程式を逆にすると、ΔH の符号が変わります。係数を掛ける場合は、ΔH に同じ係数を掛けます。

ギブズ フリー エネルギー

熱力学の最も強力な単一方程式:

ΔG = ΔH - TΔS
  • ΔG <; 0: 反応は自発的です (エネルギーを追加しなくても進行します)
  • ΔG > 0: 非自発的 (エネルギー入力が必要)
  • ΔG = 0: システムは平衡状態にあります

エンタルピーとエントロピーの間の相互作用は、ΔH と TΔS が反対方向を指す場合、温度が自発性を決定することを意味します。

ΔH ΔS 自発的？
− + いつも
+ − 一度もない
− − 低T時のみ
+ + 高T時のみ

平衡定数

可逆反応 aA + bB ⇌ cC + dD の場合:

Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / [A]ᵃ[B]ᵇ
  • Kc > > 1: 製品が好まれる (反応がほぼ完了する)
  • Kc <<; 1: 反応物が優先される (ほとんどすべての製品形態)
  • 純粋な固体と液体は式から 除外されます

反応商 Q は Kc と同じ形式ですが、平衡値ではなく任意の濃度を使用します。 Q <の場合Kc、反応は前進します。 Q>の場合Kc、それは後退します。

バッファー用のヘンダーソン-ハッセルバルヒ

緩衝液は、弱酸とその共役塩基の両方を含むことで pH 変化に抵抗します。

pH = pKa + log([A⁻] / [HA])

[A⁻] = [HA] (等しい濃度) の場合、log(1) = 0、したがって pH = pKa となります。これはバッファの動作範囲の中点です。緩衝液は、pKa の ±1 pH 単位内で効果的に機能します。

血液は、炭酸/重炭酸系 (pKa 6.1) を使用して pH 7.4 を維持します。これは、特定の [A-]/[HA] 比が約 20:1 であるヘンダーソン-ハッセルバルヒの例です。

ネルンスト方程式

非標準条件でのセル電圧:

E = E° - (0.0592/n) × log Q     (at 25°C)

ここで、n は転送される電子、Q は反応商です。バッテリーが放電すると、Q が増加し、E が低下し、最終的に完全放電でゼロに達します。

覚えておくべき重要な番号

絶え間ない 価値
アボガドロ数 6.022 × 10㎡/mol
気体定数 R 8.314J/mol・K
ファラデー定数 F 96,485C/mol
光の速度c 3.00×10⁸m/秒
Kw（水、25℃） 1.0 × 10⁻¹⁴

すべてをまとめる

化学において最も重要な習慣は 単位の追跡です。すべてのステップにすべての単元を書きます。ユニットが正しくキャンセルできれば、その方法はほぼ確実に正しいものになります。キャンセルされない場合は、マークを失う前にエラーを見つけることができます。

モル濃度計算ツール、化学量論計算ツール、ギブズ自由エネルギー計算ツール、および [Henderson-Hasselbalch] を使用してください。 Calculator](/en/practical/chemistry/henderson-hasselbalch) を使用して動作を確認します。