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化学反応式と量的関係

25分 Part 1 / Ch2 / Lesson 3
前提レッスン: 1-2-1

到達目標

  • 化学反応式を正しく書き、係数を合わせられる
  • 化学反応式の係数比から物質量の関係を読み取れる
  • 反応に関する量的計算ができる

化学反応式の書き方

化学反応式の3つのルール:

  1. 反応物を左辺、生成物を右辺に書く
  2. 原子の種類と数を両辺で等しくする（質量保存の法則）
  3. 係数は最も簡単な整数比にする

例: 水素の燃焼

2H2+O2→2H2O2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}
原子左辺右辺
H2×2=42 \times 2 = 42×2=42 \times 2 = 4 ✓
O1×2=21 \times 2 = 22×1=22 \times 1 = 2 ✓

係数の合わせ方（未定係数法）

例: エタノールの完全燃焼

C2H5OH+O2→CO2+H2O\mathrm{C_2H_5OH + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O} の係数を決めよ。

aC2H5OH+bO2→cCO2+dH2Oa\mathrm{C_2H_5OH} + b\mathrm{O_2} \rightarrow c\mathrm{CO_2} + d\mathrm{H_2O}

  • C: 2a=c2a = c
  • H: 6a=2d6a = 2d → d=3ad = 3a
  • O: a+2b=2c+da + 2b = 2c + d

a=1a=1 → c=2c=2、d=3d=3

O: 1+2b=2(2)+3=71 + 2b = 2(2) + 3 = 7 → b=3b = 3

C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O\mathrm{C_2H_5OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O}

係数 = mol比

2H₂ + O₂ → 2H₂O係数比:2:1:2mol比:2 mol:1 mol:2 mol質量:4 g:32 g:36 g気体の体積:44.8 L:22.4 L:—
化学反応式の係数はmolの比を表す

化学反応式の係数の比 = 物質量(mol)の比。これが量的計算の基本。

量的計算の手順

与えられた量(g, L, 個)→mol に変換→係数比でmol変換→mol→求める量(g, L, 個)
反応の量的計算フローチャート

例題

例題: マグネシウムの燃焼

マグネシウム 4.8 g4.8\ \mathrm{g} を完全に燃焼させたとき、生じる酸化マグネシウムは何 g か。（Mg=24\mathrm{Mg} = 24、O=16\mathrm{O} = 16）

2Mg+O2→2MgO2\mathrm{Mg} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{MgO}

nMg=4.824=0.20 moln_{\mathrm{Mg}} = \frac{4.8}{24} = 0.20\ \mathrm{mol}

Mg : MgO = 2 : 2 = 1 : 1 なので

nMgO=0.20 moln_{\mathrm{MgO}} = 0.20\ \mathrm{mol}

m=0.20×(24+16)=0.20×40=8.0 gm = 0.20 \times (24 + 16) = 0.20 \times 40 = 8.0\ \mathrm{g}

確認クイズ

Q1 2H₂ + O₂ → 2H₂O で、H₂ 4 mol が反応するのに必要な O₂ は?

Q2 N₂ + 3H₂ → 2NH₃ で、NH₃ を 0.60 mol 生成するのに必要な N₂ は?

Q3 CaCO₃ → CaO + CO₂ で、CaCO₃ 10 g を加熱すると CO₂ は何 L 発生する?(標準状態、CaCO₃=100)

演習

問1. 鉄 Fe\mathrm{Fe} と塩酸 HCl\mathrm{HCl} の反応: Fe+2HCl→FeCl2+H2\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2}

鉄 5.6 g5.6\ \mathrm{g} と十分な量の塩酸を反応させたとき、発生する水素の体積（標準状態）を求めよ。（Fe=56\mathrm{Fe} = 56）

解答・解説

nFe=5.656=0.10 moln_{\mathrm{Fe}} = \frac{5.6}{56} = 0.10\ \mathrm{mol}

Fe : H₂ = 1 : 1 なので nH2=0.10 moln_{\mathrm{H_2}} = 0.10\ \mathrm{mol}

V=0.10×22.4=2.24 LV = 0.10 \times 22.4 = 2.24\ \mathrm{L}

問2. プロパン C3H8\mathrm{C_3H_8} の完全燃焼の化学反応式を書き、プロパン 11 g11\ \mathrm{g} の燃焼で生じる CO2\mathrm{CO_2} と H2O\mathrm{H_2O} の質量をそれぞれ求めよ。（C=12\mathrm{C}=12、H=1\mathrm{H}=1、O=16\mathrm{O}=16）

解答・解説

C3H8+5O2→3CO2+4H2O\mathrm{C_3H_8 + 5O_2 \rightarrow 3CO_2 + 4H_2O}

nC3H8=1144=0.25 moln_{\mathrm{C_3H_8}} = \frac{11}{44} = 0.25\ \mathrm{mol}

nCO2=0.25×3=0.75 moln_{\mathrm{CO_2}} = 0.25 \times 3 = 0.75\ \mathrm{mol} → m=0.75×44=33 gm = 0.75 \times 44 = 33\ \mathrm{g}

nH2O=0.25×4=1.0 moln_{\mathrm{H_2O}} = 0.25 \times 4 = 1.0\ \mathrm{mol} → m=1.0×18=18 gm = 1.0 \times 18 = 18\ \mathrm{g}