同位体から考える水分子の種類の数え方｜16O・17O・18Oと1H・2Hの組み合わせ問題を解説

高校化学基礎で扱う「同位体から作られる水分子の種類数」の問題は、一見複雑に見えますが、考え方の型を押さえれば整理して解けるようになります。

特に、酸素の同位体（16O・17O・18O）と水素の同位体（1H・2H）が混ざる場合は、「組み合わせ」と「重複の扱い方」がポイントになります。

まずは同位体の種類を整理する

この問題では、水分子H2Oを構成する原子として、酸素は3種類（16O・17O・18O）、水素は2種類（1H・2H）が与えられています。

水分子は「酸素1個＋水素2個」でできるため、それぞれの選び方の組み合わせを考える必要があります。

まずは「酸素の選択肢は3通り」「水素の選択肢は2種類の組み合わせ」と整理することが出発点です。

水素は2個あるため、単純に2種類を2倍するのではなく「重複を考慮した組み合わせ」が必要です。

具体的には、(1H,1H)、(1H,2H)、(2H,2H)の3パターンになります。

このように「同じものを2つ選ぶ場合」も含める点が重要です。

酸素は3種類、それぞれに対して水素の3パターンが組み合わさるため、基本的には掛け算で考えます。

例えば、16Oを使う場合でも、17Oや18Oを使う場合でも同じように水素の組み合わせが存在します。

したがって、酸素3通り × 水素3通りで基本の構造を捉えることができます。

この手の問題では「同じ分子を別として数えるかどうか」が重要な論点になります。

例えば、左右が対称な水分子ではなく、同位体の違いによって明確に区別するため、通常はすべて別の分子として扱います。

そのため、単純な対称性による重複削除は基本的に不要です。

同位体の水分子の種類数は、「酸素の種類数」と「水素の組み合わせ数」を分けて考えることがポイントです。

水素は(1H,1H)、(1H,2H)、(2H,2H)の3通り、酸素は3通りなので、組み合わせで整理していくことで全体像が見えてきます。

このように“分解して数える”考え方を身につけると、同位体や組み合わせ問題全般に応用できます。