化学量論：ステップごとの解答つき練習問題

1化学量論とは何か

化学反応式はレシピです。2H₂ + O₂ → 2H₂O は、水素分子 2 個が酸素分子 1 個と反応して、水分子 2 個ができることを表しています。

化学量論は、そのレシピを使って「どれだけ？」という問いに答えます：ある量の出発物質からどれだけの生成物が得られるか、あるいは、どれだけ必要か。

化学式の前の数が係数です。係数は粒子を数えるもので、グラムではありません。反応式は釣り合っていなければなりません：どの原子も、両辺で同じ数だけ現れます。

粒子は小さすぎて 1 つずつ数えられないので、化学者はモルで数えます。1 ダースが 12 個の卵であるように、1 モルは 6.022 × 10²³ 個の粒子です。

したがって係数はモル比も与えます：H₂ 2 mol は O₂ 1 mol と反応し、H₂O 2 mol ができます。

2モルとモル質量

はかりはグラムを測りますが、反応式はモルで働きます。モル質量 M が両者を結びつけます：1 モルの質量で、単位は g/mol です。

M は、周期表の原子量を足して求めます。H = 1.0、C = 12.0、O = 16.0 のとき：

• M(H₂O) = 2 · 1.0 + 16.0 = 18.0 g/mol
• M(CO₂) = 12.0 + 2 · 16.0 = 44.0 g/mol
• M(CH₄) = 12.0 + 4 · 1.0 = 16.0 g/mol

例：水 36 g は、36 / 18.0 = 2.0 mol の水です。

試験問題は、たいていモル質量を小数第 2 位まで与えます。与えられた値を使います。

3ステップごとの方法

質量から質量への問題は、どれも同じ道をたどります：グラムからモルへ、モル比で反応式を横切り、グラムに戻ります。

1. 反応式が釣り合っていることを確認します。
2. 与えられた A の質量をモルに換算します：n_A = m_A / M_A。
3. 係数を使います：n_B = n_A · b / a。a と b は A と B の係数です。
4. 質量に戻します：m_B = n_B · M_B。
5. 2 つの反応物が与えられたら、まず限定反応物を見つけ、それから始めます。
6. 収率には、実際に集めた質量と、計算した質量を比べます。

4例題

すべてのステップをたどりましょう。開く前に次のステップを予想してみましょう。

5限定反応物と収率

2 つの反応物が与えられると、たいてい一方が先になくなります。それが限定反応物です。どれだけの生成物ができるかを決め、もう一方は余ります（過剰）。

それを見つけるには、各反応物のモル数をその係数で割ります。小さい結果のものが限定反応物です。

例：2H₂ + O₂ → 2H₂O で、H₂ 4.0 g（M = 2.0）と O₂ 16 g（M = 32）が反応します。H₂ は 2.0 mol、O₂ は 0.50 mol です。

したがって O₂ 0.50 mol から 0.50 · 2 = 1.0 mol の水、つまり 18 g ができます。水素の一部は余ります。

実際には、生成物のすべてを集めることは決してありません。収率（百分率収率）は、得られたものを、計算したもの、すなわち理論収量と比べます。

6よくある間違い

• モル比ではなく質量比を使うこと。係数が数えるのはモルであり、グラムではありません。
• 釣り合っていない反応式で計算すること。
• 限定反応物ではなく、過剰な反応物から始めること。
• 係数で割らずに、質量が最小のもの、またはモル数が最小のものを限定反応物に選ぶこと。
• 実際の量を理論量で割るのを逆にすること。収率が 100% を超えることは決してありません。
• モル数を早く丸めすぎること。最後まで 3 桁か 4 桁の有効数字を保ちます。

7試験問題の例

• やさしい：質量から質量へ。1 つの反応物が与えられ、ほかは過剰です。生成物の質量を求めます。
• ふつう：限定反応物。2 つの反応物の質量が与えられます。限定反応物を見つけ、次に生成物の質量を求めます。
• むずかしい：収率。理論収量を計算し、集めた質量と比べます。

モル質量は問題で与えられます。どの答えの横にも、道筋 m → n → n → m を書いておきましょう。