【化学演習&解答】塩素の同位体についての求め方(原子量・分子の種類・存在比・分子量)

塩素の同位体について考えよう

天然では、塩素原子は³⁵₁₇Clと³⁷₁₇Clの2種が存在する。そしてその存在比は³⁵₁₇Cl：³⁷₁₇Cl = 3：1である。

1: 塩素の原子量

2: Cl₂の種類は何種類存在するか

3: 上の数種類Cl₂の存在比

4: Cl₂の分子量

上記の4つの量を求めましょう。

解答編

1: 塩素の原子量

原子量は原子の質量であり、原子質量単位(amu)/個の単位で表される量です。

そして各元素ごとに、それを構成する原子について原子量を求めるのですが、このクイズの塩素の同位体のように元素を構成する原子には2種類以上の種類があります。そこで原子量を求めるときは、存在比をもとに各原子の平均値を求める必要があります。

塩素は³⁵Cl：³⁷Cl = 3：1の個数比で存在しているので、塩素の原子量は次のような計算式で求めることになります。

各原子量は近似的に質量数とみなすことできるので、³⁵Cl ≒ 35、³⁷Cl ≒ 37となります。よって、下の式の計算結果から35.5が答えになります。

2: Cl₂の種類は何種類存在するか

³⁵Clと³⁷Clの組み合わせを考えると下の図のように2×2 = 4通り考えられます。しかし左から2番目の³⁵Clと³⁷Clの組み合わせと左から3番目の³⁷Clと³⁵Clの組み合わせはひっくり返すと重なり、同じ分子です。よって答えは3種類となります。

塩素分子の組み合わせ

3: 上の数種類のCl₂の存在比

³⁵Clと³⁷Clは陽子数、電子数、電子配置は同じなので、結合力もほぼ同じと考えることができます。

そのため、Cl₂の存在比はもとのClの個数比を反映した単純な確率計算で求めることができます。

塩素分子の存在比

注意する点は左から2番目の組み合わせと左から3番目の組み合わせは同じ分子という点です。

4: Cl₂の分子量

Cl₂の分子量は、上の3種類の塩素分子の分子量と存在比から計算することができます。

³⁵Clと³⁵Clの分子は分子量70

³⁵Clと³⁷Clの分子は分子量72

³⁷Clと³⁷Clの分子は分子量74

よってCl₂の分子量は下の計算式で71と求められます。