【溶液の濃度🥤】質量パーセント濃度とモル濃度を確実に得点源にするために💚：毒物劇物取扱者試験対策 No.62

毒物劇物取扱者試験の化学計算において
前回の物質量(mol)に続き、受験生を悩ませる
大きな関門が「溶液の濃度」です。
しかし、濃度の計算も本質を紐解けば非常に
シンプルなデータの処理方法に過ぎません👍

試験では、劇物の希釈作業や溶液の調製といった
実務に直結する形で「質量パーセント濃度」と
「モル濃度」の2つが頻出します。
今回は、濃度を構成する3つの基本要素の定義から
それぞれの濃度の計算手順までを
体系的にマスターしていきましょう！

溶液を構成する3大要素

濃度を計算する前に、まずは化学における溶液が
どのような要素で成り立っているかを
正確に整理する必要があります。

物質が他の液体に溶けて均一な液体
になる現象を「溶解」と呼び
この現象は、以下の3つの要素で定義されます。

ここで絶対に忘れてはならない、計算上の大原則は
以下の数式モデルで表されます。

$${ \text{溶液の質量} = \text{溶質の質量} + \text{溶媒の質量} }$$

たとえば、10 g の水酸化ナトリウム(溶質)を
90 g の水(溶媒)に完全に溶かした場合
完成した水酸化ナトリウム水溶液(溶液)の総質量は
$${10 + 90 = 100 \, \text{g}}$$ となります。
試験問題で「溶媒の重さ」と「溶液全体の重さ」
のどちらが与えられているかを正確に見極める
ことが、計算ミスを防ぐ第一歩です🧮

質量パーセント濃度

質量パーセント濃度とは、「溶液全体の質量に対して
溶質の質量が何パーセント含まれているか」
を表す割合のことになります！

主に実務の現場で薬剤のラベル表記や大まかな
希釈計算を行う際によく用いられます✨

溶液の質量を$${W_{\text{solution}} \text{ (g)}}$$
溶質の質量を $${w_{\text{solute}} \text{ (g)}}$$ とすると
質量パーセント濃度 $${C_{\%}}$$ を導き出す
計算プロセスは以下の数式モデルで定義されます！

$${\\\large C_{\%} = \frac{w_{\text{solute}}}{W_{\text{solution}}} \times 100 }$$

分母が「溶媒の質量」ではなく
「溶質も含んだ溶液全体の質量」
である点に注意してください👍

先ほどの数式モデルを展開すると
以下のように記述することもできます。

$${ \\\large C_{\%} = \frac{\text{溶質の質量 (g)}}{\text{溶質の質量 (g)} + \text{溶媒の質量 (g)}} \times 100 }$$

計算実例

20gの水酸化ナトリウム(劇物)を180g の
水に溶かした溶液の質量パーセント濃度を計算します。

まず、溶液全体の質量は$${20 + 180 = 200 \, \text{g}}$$です。
これを計算手順に代入します。

$${ \\C_{\%} = \frac{20}{200} \times 100 = 10 \, \text{\%} }$$

したがって、この溶液の質量パーセント濃度は
10%と算出されることが分かります👍

モル濃度

モル濃度(mol/L)とは、「溶液1Lあたりに
溶質が何mol溶けているか」を表す単位です。

中和計算や化学反応式の係数と直接関係するため
試験の計算問題において重要な濃度単位となります。

溶液の体積を $${V \text{ (L)}}$$、溶質の物質量を$${n \text{ (mol)}}$$ とすると
モル濃度 $${M_{\text{mol}} \text{ (mol/L)}}$$を導く
計算プロセスは以下の数式モデルで表されます。

$${ \\\large M_{\text{mol}} = \frac{n}{V} }$$

もし問題文で溶液の体積がミリリットル
$${( \text{mL} )}$$ で与えられている場合は
リットル$${( \text{L} )}$$に変換する処理
すなわち$${1L ＝ 1000 mL}$$を最初に行う必要があります。

計算実例

水酸化ナトリウム $${{ \text{NaOH} = 40 \, \text{g/mol} }}$$の結晶4.0gを
水に溶かし、全体を500mLに調製した溶液の
モル濃度を算出してみましょう！

ステップ1：溶質の質量(g)を物質量(mol)に変換する
前回の講義で学んだ物質量変換の
計算式 $${{ n = \frac{w}{M} }}$$ を適用します。

$${ n = \frac{4.0}{40} = 0.10 \, \text{mol} }$$

ステップ2：溶液の体積(mL)を(L)に変換す
500mLをリットル単位に翻訳します。
$${ V = \frac{500}{1000} = 0.50 \, \text{L} }$$

ステップ3：モル濃度の公式に代入する
$${ M_{\text{mol}} = \frac{0.10}{0.50} = 0.20 \, \text{mol/L} }$$
したがって、この溶液のモル濃度は
0.20 mol/Lと導き出されます👍

参考演習例題

これまでに学んだ濃度の定義と計算手順をもとに、毒物劇物取扱者試験を想定した模擬問題に挑戦してみましょう。

第1問(質量パーセント濃度)
10%の塩酸(劇物)を300g作るために必要な、塩化水素(溶質)と水(溶媒)の質量の組み合わせとして、正しいものを一つ選びなさい。

(1) 塩化水素：10g、水：290g
(2) 塩化水素：30g、水：270g
(3) 塩化水素：30g、水：300g
(4) 塩化水素：10g、水：300g

解答&解説
正解は(2)です。

質量パーセント濃度の数式モデルを変形すると、必要な溶質の質量は $*{ \text{溶液の質量} \times \frac{\text{濃度}}{100} }*$ で求められます。

$${ 300 \times \frac{10}{100} = 30 \, \text{g} }$$

必要な塩化水素の質量は 30 g となります。溶液全体の重さが 300 g であるため、必要な水の質量は溶液から溶質を引いた $300 - 30 = 270 \, \text{g}$ となり、選択肢の(2)が正しく計算のルールに適合します。

第2問(モル濃度)
塩化水素 $${{ \text{HCl} = 36.5 \, \text{g/mol} }}$$ が$${7.3 \, \text{g}}$$溶けている$${2.0 \, \text{L}}$$の塩酸のモル濃度として、正しいものを一つ選びなさい。

(1) $${0.10 \, \text{mol/L}}$$
(2) $${0.20 \, \text{mol/L}}$$
(3) $${0.50 \, \text{mol/L}}$$
(4) $${2.0 \, \text{mol/L}}$$

解答&解説
正解は(1)です。
まず、溶質である塩化水素の物質量$${n}$$ を求めます。
$${ n = \frac{7.3}{36.5} = 0.20 \, \text{mol} }$$
次に、溶液の体積$${V = 2.0 \, \text{L}}$$を用いて
モル濃度$${M_{\text{mol}}}$$を算出します。
$${ M_{\text{mol}} = \frac{0.20}{2.0} = 0.10 \, \text{mol/L} }$$
したがって、選択肢の(1)が正解となります。

毒物劇物の取扱いや中和計算の土台となる
「溶液の濃度」の仕組みについて解説しました。

溶液は溶質、溶媒、溶液の3つの要素で
構成されており、溶液の質量は溶質と溶媒の
質量の合計に等しくなります。
質量パーセント濃度は溶液全体の質量に対する
溶質の質量の割合をパーセントで表したものであり
分母が溶液全体の重さとなる点が肝心です！
一方、モル濃度は溶液1Lあたりに含まれる
溶質の物質量(mol)を表したもので、化学反応の計算に
直接関連する重要な知識になります！
これら2つの濃度の定義と計算手順を整理しておくことで
実務問題や中和問題への対応力が飛躍的に向上します🔥

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✅毒物及び劇物取締法

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