平均分子量の求め方を徹底解説！空気28.8の理由から高分子まで網羅

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高校化学の教科書を開くと必ず目にする「空気の平均分子量 ＝ 28.8」という数値。この数値を丸暗記している受験生は多いものの、導出プロセスを正確に記述できるかどうかで計算力に大きな開きが生じます。

地表付近の乾燥空気は、体積比で約78%の窒素（N₂）、約21%の酸素（O₂）、約0.9%のアルゴン（Ar）、約0.04%の二酸化炭素（CO₂）で構成されています。一般的な高校化学の平均分子量問題では、計算を簡略化するため「窒素と酸素が体積比4:1（窒素80%、酸素20%）で混合した気体」として扱われます。

アボガドロの法則により、「同温・同圧のもとでは、すべての気体は同体積中に同数の分子を含む」ため、混合気体の平均分子量を計算する際、気体の体積比はそのまま物質量比（モル比）に置き換えることが可能です。

• 窒素（N₂）の分子量：14.0 × 2 ＝ 28.0（全体の4/5）
• 酸素（O₂）の分子量：16.0 × 2 ＝ 32.0（全体の1/5）

これらを公式に代入すると、次のようになります。

空気の平均分子量 M̄ ＝ 28.0 × (4 / 5) ＋ 32.0 × (1 / 5) ＝ 22.4 ＋ 6.4 ＝ 28.8

この28.8という基準値は、未知の気体が「空気より重いか、軽いか」を判断する指標として日常的にも広く利用されています。分子量44の二酸化炭素や分子量71の塩素は空気より重いため下方置換で捕集し、分子量16のメタンや分子量17のアンモニアは上方置換で捕集するという実験室の鉄則も、すべてこの28.8が論理的根拠となっています。

さらに、入試頻出テーマである気体の密度からの分子量計算も見逃せません。標準状態（0℃、1.013×10⁵ Pa）において、理想気体1molの体積は22.4Lを占めます。したがって、標準状態における混合気体の密度（g/L）が与えられている場合、次の関係式から平均分子量を一瞬で逆算できます。

平均分子量 M̄ ＝ 密度（g/L） × 22.4（L/mol）

一般的な温度・圧力条件下では、気体の状態方程式 PV = nRT を変形した「PM = ρRT（ρは密度）」の公式を用いることで、いかなる測定環境下であっても密度から分子量を正確に割り出すことが可能です。