気体のモル体積

1アボガドロの法則

気体の体積と分子数の関係については、1811年にアボガドロ（イタリア）が次の法則を提唱しました。

言い換えると、同温・同圧で 1 mol の分子を含む気体はどんな種類でも同じ体積を占めるということです。水素でも酸素でも二酸化炭素でも、粒子数（mol）が等しければ体積が等しくなります。

この法則は、空気のような混合気体にも成り立ちます。実験的に確かめると、窒素・ブタン・アルゴンなど種類の異なる気体を同じ温度・圧力のもとで同体積を集めると、含まれる物質量がほぼ等しくなります。

2標準状態と気体のモル体積

気体の体積は温度・圧力によって変わるため、比較の基準となる状態を決める必要があります。化学では次の状態を標準状態とよびます。

標準状態で気体 1 mol の体積を実測すると、気体の種類に関係なく約 22.4 L になります。この値を気体のモル体積といいます。

分子量がまったく異なる気体であっても、標準状態での 1 mol の体積はすべて 22.4 L になります。これがアボガドロの法則の実験的な証拠です。

3気体の密度とモル質量

単位体積あたりの質量を密度といいます。気体の密度の単位は g/L が使われます。

密度とモル質量の関係

標準状態での気体の密度は、モル質量とモル体積から次のように求めることができます。

この式は逆向きに使うこともできます。標準状態での気体の密度を測定すれば、その気体の分子量（≒ モル質量の数値）を求められます。

計算例

4混合気体の平均分子量

2 種類以上の気体が混ざった混合気体にも、アボガドロの法則は成り立ちます。したがって、混合気体の密度から「見かけの分子量」（平均分子量）を求めることができます。

平均分子量の計算

各成分気体の分子量 × その物質量の割合（モル分率）の和が平均分子量になります。

空気の平均分子量

空気は主に窒素 N₂（体積比約 80%）と酸素 O₂（体積比約 20%）からなります。アボガドロの法則より、同温・同圧では体積比＝物質量比（モル比）なので、N₂ と O₂ のモル比はおよそ 4 : 1 です。

空気の平均分子量は約 28.8（約 29 と近似することも多い）です。これは「空気を分子量 28.8 の 1 種類の気体として扱っている」ことを意味します。

気体が空気より重いか軽いかを判定するには、その気体の分子量と 28.8 を比べるだけです。この比較は気体の捕集方法（上方置換・下方置換・水上置換）を選ぶ際にも重要です。

5この章を俯瞰する

気体のモル体積は、物質量・質量・粒子数とならぶ「第4の変換路」です。以下に、ここでの知識が他の章とどうつながるかを整理します。

• 4-2「物質量（モル）」との接続：物質量という共通の「橋」を経由して、気体の体積↔質量↔粒子数をすべて相互変換できるようになります。
• 4-4「溶液の濃度」との接続：気体を溶かした溶液（CO₂ 水溶液など）の濃度計算では、気体のモル体積と溶液の体積（mol/L）を組み合わせます。
• 5章「化学反応式と量的関係」との接続：反応式の係数比は mol 比と同時に気体の体積比でもあります。「H₂ : O₂ : H₂O = 2 : 1 : 2 の体積比」という表現が理解できます。
• 気体の捕集法（実験操作）との接続：平均分子量 28.8 との大小比較で、上方置換（軽い気体 → NH₃ など）・下方置換（重い気体 → Cl₂ など）・水上置換（水に不溶の気体）を判断できます。

次の記事では、溶液の濃度（モル濃度）を扱います。溶質の mol と溶液の体積（L）を結びつける概念で、気体のモル体積と対をなす重要な量です。

6まとめ

• アボガドロの法則：同温・同圧で、同体積の気体は種類に関係なく同数の分子を含む
• 標準状態（0℃・1.013×10⁵ Pa）での気体のモル体積は 22.4 L/mol（気体の種類によらず一定）
• 物質量（mol）＝ 気体の体積（L）÷ 22.4（L/mol）
• 気体の密度（g/L）＝ モル質量（g/mol）÷ 22.4（L/mol）
• 分子量 ＝ 標準状態での密度（g/L）× 22.4
• 混合気体の平均分子量 ＝ 各成分の分子量 × モル分率の和
• 空気の平均分子量 ≈ 28.8（N₂ : O₂ = 4 : 1 の混合）
• 分子量が 28.8 より小さい気体は空気より軽く、大きい気体は空気より重い

7確認テスト

8入試問題演習

基礎（A）から発展（C）まで段階的に取り組んでみてください。

A 基礎レベル

B 標準レベル

C 発展レベル