ポイント
標準状態とは、温度が 0 ℃で圧力が 1.013 × 105 Pa の状態です。
どのような種類の気体でも、同温・同圧で同じ体積の気体ならば、同じ数の分子を含んでいます。これをアボガドロの法則といいます。
標準状態では、1 mol の気体は、気体の種類によらず 22.4 L の体積になります。
1 mol あたりの気体の体積のことをモル体積といいます。標準状態における気体のモル体積は、22.4 L / mol です。
アボガドロの法則
物質は固体・液体・気体のあいだで状態を変化させます。気体は温度や圧力によって、体積が膨張したり収縮したりします。
そこで化学では気体のことを考察するとき、標準状態と呼ばれる条件をよく用います。
標準状態とは、温度が 0 ℃で（絶対温度なら 273 K ）、圧力が大気圧と等しい 1.013 × 105 Pa の状態です。
（ Pa はパスカルと読み、圧力の単位です。）
どのような種類の気体でも、同温・同圧で同じ体積の気体ならば、同じ数の分子を含んでいます。これをアボガドロの法則といいます。
アボガドロの法則を言い換えると、同温・同圧の条件下では、同じ数だけ分子があるならば、どのような種類の気体でも同じ体積になります。
特に標準状態では、1 mol の気体（6.02 × 1023 個の気体分子）は、気体の種類によらず 22.4 L の体積になります。
このことから、標準状態の気体は、1 mol あたりの体積が 22.4 L だといえます。
モル質量と同じように、1 mol あたりの気体の体積のことをモル体積と呼びます。標準状態における気体のモル体積は、22.4 L / mol です。（モル体積の単位は L / mol ）
具体的にアボガドロの法則を考えます。水素も酸素も二酸化炭素も、同温・同圧なら同じ体積に同じ数だけの分子を含みます。
特に標準状態なら、22.4 L の体積の気体には、水素でも酸素でも二酸化炭素でも 1 mol の分子が含まれます。
アボガドロの法則により、気体の体積がわかれば気体の分子数（物質量）がわかります。
例えば、「標準状態で 11.2 L の酸素」ならば、モル体積が 22.4 L / mol なので
$$\frac{11.2 [L]}{22.4 [L/mol]} = 0.500 [mol]$$
物質量は 0.500 mol だと計算できます。
気体の密度
気体 1 L あたりの質量 g を気体の密度（単位は g / L ）といいます。気体分子のモル質量とモル体積がわかれば、気体の密度は求められます。
特に標準状態ならば、気体のモル体積は 22.4 L / mol であり、モル質量も分子量から求められるので、気体の密度を計算することができます。
$$気体の密度[ g/L ] = \frac{モル質量[ g/mol ]}{モル体積[ L/mol ]}$$
特に標準状態なら
$$気体の密度[ g/L ] = \frac{分子量の値[ g ]}{22.4[ L ]}$$
例えば標準状態の二酸化炭素 CO2（分子量 44.0 ）の気体の密度は
$$密度[ g/L ] = \frac{44.0 [ g/mol ]}{22.4 [ L/mol ]} ≒ 1.96 [ g/L ]$$
と計算できます。
逆に気体の密度から、気体の分子量を求めることもできます。
例えば、標準状態で気体の密度を測定したら 1.43 [ g/L ] だったとき、気体の分子量は
$$分子量 = 1.43[g/L] × 22.4 [L/mol] ≒ 32.0 [g/mol]$$
となり、分子量は 32.0 と計算できます。
問題演習
確認テスト1
標準状態で 56 L の二酸化炭素の物質量はいくらですか。
正解を見る
$$\frac{56[L]}{22.4[L/mol]} = 2.5 [mol] $$
二酸化炭素は 2.5 mol あります。
確認テスト2
標準状態で気体の密度を測定したら 1.43 [ g/L ] でした。この気体の分子量はいくらですか。また、この気体に当てはまる例を考えましょう。
正解を見る
気体の密度が 1.43 [ g/L ] ということは、標準状態で 1 L の気体の質量が 1.43 g です。
標準状態でモル体積は 22.4 [ L/mol ] です。気体が 22.4 L あると、その気体の物質量は 1 mol ということです。
1.43 [g/L] × 22.4 [L/mol] = 32.0 [g/mol]
気体が 22.4 L あると、気体の質量は 32.0 g でした。
1 mol の気体があるとき、その質量が 32.0 g なので、この気体の分子量は 32.0 です。
モル質量が 32.0 g/mol にあてはまる物質は、例えば酸素 O2 があります。この気体の例としては、酸素が考えられます。
実践問題1（2015本第2問問1）
0 ℃、1.013 × 105 Pa において気体 1 g の体積が最も大きい物質を、次の①～④のうちから一つ選べ。
必要があれば、原子量は次の値を使うこと。
H 1.0 C 12 N 14 O 16 S 32
① O2 ② CH4 ③ NO ④ H2S
（2015年度センター試験 本試験 化学基礎 第2問問1 より引用）
正解を見る
正解 2
気体の種類によらず、0 ℃、1.013 × 105 Pa の条件下では、気体は物質量 1 mol で体積が 22.4 L です。
つまり同温・同圧（ここでは 0 ℃ ・ 1.013 × 105 Pa ）の条件では、物質量が多いほど気体の体積は大きくなります。
気体の質量が 1 g であるとき、気体の分子量が小さいほど、その気体の物質量は大きくなります。
例えば、気体の分子量を M とすると、1 g の気体の物質量は
$$\frac{1}{M}mol$$
となります。
このとき、M が小さいほど気体の物質量は大きくなり、1 g の気体の体積は大きくなります。
それぞれの気体の分子量は、
① O2 = 16 × 2 = 32
② CH4 = 12 + 1.0 × 4 = 16
③ NO = 14 + 16 =30
④ H2S = 1.0 × 2 + 32 =34
であり、正解は②です。
実践問題2（2018本第2問問2）
0 ℃、1.013 × 105 Pa において、体積比 2：1 のメタンと二酸化炭素からなる混合気体 1.0 L の質量は何 g か。最も適当な数値を、次の①～⑤のうちから一つ選べ。
必要があれば、原子量は次の値を使うこと。
H 1.0 C 12 O 16
① 0.71 g ② 1.1 g ③ 1.5 g ④ 2.0 g ⑤ 2.2 g
（2018年度センター試験 本試験 化学基礎 第2問問2 より引用）
正解を見る
正解 2
混合気体の体積が 1.0 L で、その体積比が 2：1 なので、
メタンは 1.0 × \(\frac{2}{3}\) [L]、二酸化炭素は 1.0 × \(\frac{1}{3}\) [L]あります。
また、メタン CH4 の分子量は 16 で、二酸化炭素 CO2 の分子量は 44 です。
この問題では、分子量が 16 で体積が \(\frac{2}{3}\) [L] のメタンの質量と、分子量が 44 で体積が \(\frac{1}{3}\) [L] の二酸化炭素の質量の和を求めます。
0 ℃、1.013 × 105 Pa の条件下では、気体 1 mol の体積は 22.4 L です。
したがって、メタンの質量は
1.0 [L] × \(\frac{2}{3}\) × \(\frac{1}{22.4[L/mol]}\) × 16 [g/mol]
同様に、二酸化炭素の質量は
1.0 [L] × \(\frac{1}{3}\) × \(\frac{1}{22.4[L/mol]}\) × 44 [g/mol]
これらの和が求める混合気体の質量です。
実際に計算すると
\(\frac{76}{67.2}\) = 1.13 ≒ 1.1
となり、②が正解です。
実践問題3（2018追第1問問4）
空気（大気）を窒素と酸素の体積比が 4：1 の混合気体とすると、同温・同圧において、空気の密度に最も近い密度をもつ気体を、次の①～⑤のうちから一つ選べ。
必要があれば、原子量は次の値を使うこと。
C 12 N 14 O 16 S 32 Ar 40
① アルゴン ② 一酸化窒素 ③ オゾン
④ 二酸化硫黄 ⑤ 二酸化炭素
（2018年度センター試験 追試験 化学基礎 第1問問4 より引用）
正解を見る
正解 2
気体の種類によらず、0 ℃で 1.013 × 105 Pa の条件下なら、物質量 1 mol の気体の体積は 22.4 L です。
気体の種類によらず体積は等しいので、1 mol の質量が大きいほど気体の密度は大きくなります。
1 mol の質量が大きくなるのは分子量が大きいときなので、それぞれの気体の分子量を比較します。
空気の分子量の値と近い分子量をもつ気体は、空気の密度に近くなります。
なお、空気は窒素 80 %、酸素 20 %の混合気体なので、その平均分子量は
14 × 2 × 0.80 + 16 × 2 × 0.20 = 28.8
28.8 となります。
各選択肢の気体の分子量は
1 アルゴンは 1 原子で気体分子となります。そのため、原子量 = 分子量 = 40
2 一酸化窒素 NO の分子量は 14 + 16 = 30
3 オゾン O3 の分子量は 16 × 3 = 48
4 二酸化硫黄 SO2 の分子量は 32 + 16 × 2 = 64
5 二酸化炭素 CO2 の分子量は 12 + 16 × 2 = 44
最も空気の分子量に近いのは、②の一酸化窒素です。
実践問題4（2016追第2問問1）
次の気体のうち、同じ温度・圧力において質量が最も大きいものを、①～⑤のうちから一つ選べ。
必要があれば、原子量は次の値を使うこと。
H 1.0 C 12 N 14 O 16 Ar 40
① 1.0 L のアルゴン ② 1.0 L の二酸化炭素
③ 3.0 L の水素 ④ 3.0 L のメタン ⑤ 3.0 L のアンモニア
（2016年度センター試験 追試験 化学基礎 第2問問1 より引用）
正解を見る
正解 5
同温・同圧で比較するので、わかりやすく標準状態（ 0 ℃、1.013 × 105 Pa）として考えます。
標準状態では、気体の種類によらず 22.4 L の体積の気体は、物質量が 1 mol です。
1 1.0 L のアルゴン Ar の物質量は、\(\frac{1.0[L]}{22.4[L/mol]}\) です。
物質量と気体の分子量（モル質量）の積が、求める質量です。
アルゴンの分子量は 40 です。
求める質量 = \(\frac{1.0}{22.4}\)[mol] × 40[g/mol] = \(\frac{40}{22.4}\)[g]
以下も同様に計算します。
2 二酸化炭素 CO2 の分子量は 44 なので
求める質量 = \(\frac{1.0}{22.4}\)[mol] × 44[g/mol] = \(\frac{44}{22.4}\)[g]
3 水素 H2 の分子量は 2.0 なので
求める質量 = \(\frac{3.0}{22.4}\)[mol] × 2.0[g/mol] = \(\frac{6.0}{22.4}\)[g]
4 メタン CH4 の分子量は 16 なので
求める質量 = \(\frac{3.0}{22.4}\)[mol] × 16[g/mol] = \(\frac{48}{22.4}\)[g]
5 アンモニア NH3 の分子量は 17 なので
求める質量 = \(\frac{3.0}{22.4}\)[mol] × 17[g/mol] = \(\frac{51}{22.4}\)[g]
分母の値は共通なので、分子の値を比べると 3.0 L のアンモニアが最も質量が大きいことがわかります。
