分子量

レゴで車を作ったと想像してみましょう。この車全体の重さを知りたければ、タイヤ4個と車体ブロックの重さを1つずつ足せばOKです。分子の世界でも、まったく同じ方法で重さを計算します。

水分子は水素原子2個と酸素原子1個でできています。水素原子の相対的な重さは約1、酸素原子は約16です。そのため水分子の重さは、1に2をかけて16を足した18になります。このように、分子をつくる原子の重さをすべて足した値が分子量です。

二酸化炭素も同じです。炭素原子1個(12)に酸素原子2個(16×2=32)を足すと、分子量は44になります。どんなに複雑な分子でも、化学式を見て原子の重さを順番に足していくだけで、簡単に求められます。

原子は目に見えないほど軽すぎて、ふつうのはかりでは量れません。そこで科学者たちは、炭素12原子1個の重さをちょうど「12」と決め、これを基準にほかの原子の相対的な重さである「原子量」を定めました。

ですから、原子量を足してつくる分子量にも、グラム(g)やキログラムのような単位がない、純粋な比率です。水の分子量が18というのは、炭素原子を12としたとき、相対的に18だけの重さがあるという意味です。

とはいえ、実際の実験室では目に見える量を扱わなければなりません。そこで科学者たちは、分子をアボガドロ数(約6.02×10²³個、つまり1モル)ぶん、ひとまとまりにして扱います。1モルの質量は、分子量のあとに「グラム(g)」をつけた値とほぼ同じです。水分子を1モル集めると、約18グラム(より正確には18.015グラム前後)になります。

分子量は、単に数字を計算して終わりではなく、物質の性質を推測する重要な手がかりになります。一般に、似た構造の分子どうしでは、分子量が大きいほど(たいてい分子が大きく、電子も多くなるため)分子間に働く引力が強くなる傾向があります。そのため、分子量が大きいほど沸点や融点が高くなる傾向があります。ただし、分子量だけで性質が決まるわけではありません。水(18)は水素結合をするため、分子量がもっと大きい二酸化炭素(44)とは違い、室温で液体として存在します。

たとえば、天然ガスの主成分であるメタンは分子量が16と小さく、室温では気体です。一方、分子量が数万~数十万以上にもなるプラスチックの高分子は、室温で固体として存在します。

また分子量は、化学工場で薬品や新しい物質を合成するときにも欠かせません。料理で小麦粉と砂糖の重さを量って入れるように、化学反応でも分子量を知っていてはじめて、反応物を正確な個数の比率で混ぜ、狙いどおりの生成物をつくれます。