化学反応式と計算
はじめに
化学反応式の作り方の第一歩は、係数付けです。係数付けは数合わせです。やり方はとてもシンプルなので、練習を積めば必ず出来るようになります。
係数付けの考え方
まず、最も複雑なものの係数を１とおきます。最も複雑なものは、原子の種類が多いものを指します。例えば、CH4は原子2種類ですが、O2は1種類なので、CH4の方が複雑と判断します。もし、原子の種類の数が同じ場合は、原子の数が多いものを係数１とおきます。例えば、CH4とCO2はともに原子2種類ですが、CH4は原子5コなので、CH4の方が複雑と考えます。
次の係数を入れてみましょう。
〔 〕CH4 ＋〔 〕O2 → 〔 〕CO2＋〔 〕H2O
まず、CH4が最も複雑なので、係数１と決まります。
〔１〕CH4 ＋〔 〕O2 → 〔 〕CO2＋〔 〕H2O
次にCO2の係数が１、H2Oの係数が２と決まっていきます。最後にO2の係数が２で完成です。
〔１〕CH4 ＋〔２〕O2 → 〔１〕CO2＋〔２〕H2O
途中で係数に分数がでるときの化学反応式です。
〔 〕C2H6 ＋〔 〕O2 → 〔 〕CO2＋〔 〕H2O
まず、C2H6が最も複雑なので、係数１と決まります。〔１〕C2H6 ＋〔 〕O2 → 〔 〕CO2＋〔 〕H2O
次にCO2の係数が２、H2Oの係数が３と決まっていきます。
〔１〕C2H6 ＋〔 〕O2 → 〔２〕CO2＋〔３〕H2O
最後にO2の係数が7/2で、全体の数はそろいます。
〔１〕C2H6 ＋〔7/2〕O2 → 〔２〕CO2＋〔３〕H2O
係数に分数がでた場合は、分数をなくすために分母をかけます。O2の係数が7/2より、全体に２をかけます。
〔２〕C2H6 ＋〔７〕O2 → 〔４〕CO2＋〔６〕H2O
イオン反応式のつくり方
イオンを含む化学反応式をイオン反応式といいます。化学反応に関わっているイオンだけを書きます。
つくり方のポイントは２つです。①原子の種類と数を両辺でそろえる。②左辺の電荷の総和と右辺の電荷の総和を等しくする。
例 硝酸銀水溶液と塩化ナトリウム水溶液の反応
まず、化学反応式をつくってみます。
AgNO3 ＋ NaCl → AgCl ＋ NaNO3
硝酸銀AgNO3と塩化ナトリウムNaClは、水に溶けやすい塩であるため、水溶液中で電離しているため、Ag＋とNO3ー、Na＋とClーに分かれています。反応後のNaNO3も同様にNa＋とNO3ーに分かれています。
Ag＋＋NO3ー＋Na＋＋Clー→AgCl＋Na＋＋NO3ー
ここで、NO3ーとNa＋に着目してください。
Ag＋＋NO3ー＋Na＋＋Clー→AgCl＋Na＋＋NO3ー
この反応では、AgClが白色沈殿しています。しかし、NO3ーとNa＋は反応前後で変化していません。これらは、化学反応に関わっているとはいえないのです。反応に関係ないので、NO3ーとNa＋は消去します。すると、左辺で残るものは、Ag＋と Clーとなり、イオン反応式は次のようになります。
Ag＋＋Clー→AgCl
原子の種類と数は、左辺と右辺でそろっていることはすぐに分かります。次に電荷を見てみましょう。左辺が＋1と－1で0です。右辺のAgClは右上に＋も－もついていないため、0です。これで、電荷の総和が両辺で等しいことがわかりました。
例 硫酸銅(Ⅱ)CuSO4水溶液とアルミニウムの反応
化学反応式をつくってみます｡
2Al＋3CuSO4→Al2(SO4)3＋3Cu
硫酸銅(Ⅱ)CuSO4と硫酸アルミニウムAl2(SO4)3は水溶液中で電離しているため､Cu2＋とSO42ー、Al3＋とSO42ーに分かれています｡
2Al＋3Cu2＋＋3SO42ー→2Al3＋＋3SO42ー＋3Cu
ここで、SO42ーに着目してください。
2Al＋3Cu2＋＋3SO42ー→2Al3＋＋3SO42ー＋3Cu
この反応では、AlがAl3＋へ、Cu2＋が銅Cuに析出しています。しかし、SO42ーは反応前後で変化しておらず、化学反応に関わっているとはいえません。反応に関係ないので、SO42ーは消去します。よって、イオン反応式は次のようになります。原子の種類と数は､左辺と右辺でそろっていることが分かります｡
2Al＋3Cu2＋→2Al3＋＋3Cu
次に電荷を見てみましょう｡左辺は、0と3×(＋2)＝＋6です｡右辺も、2×(＋3)＋0＝＋6です｡電荷の総和が両辺で等しいことが確認できました｡
化学反応式とmol計算 ①
反応式の係数比は､各物質のモル比に等しいです｡係数比を見ればモル比が分かるので､係数に着目します。係数比＝モル比がPointです｡
問題 CH4 2molが反応すると､H2Oは何mol生成するか？CH4＋2O2→CO2＋2H2O
解答 2〔mol〕×2＝4〔mol〕
解説 CH4 とH2Oの係数比は１：２なので、モル比も１：２になります。CH4 1molが反応すれば､H2Oは2mol生成します｡
問題 H2 6.0gが反応すると､H2Oは何g生成するか？分子量H2＝2.0 H2O＝18
2H2＋O2→2H2O
解答
H2Oが3.0mol生成したことが分かります｡よって､求める質量は､3.0〔mol〕×18〔g/mol〕=54〔g〕
解説 計算のやり方は、次の３つのステップです｡
ステップ① 文中の数値&単位を反応式の下に書く｡
ステップ② molに直す｡
ステップ③ 係数比より､他のmolを書く｡
今回の計算にあてはめてみると､次のようになります｡
ステップ① 6.0gをH2の下に書く｡
ステップ② 6.0÷2.0＝3.0〔mol〕
ステップ③ 化学反応式の係数は､２：１：２になっています｡係数比＝モル比より､モル比も２：１：２です｡すなわち､H2 1molから､H2O 1molが生成します｡今回は H2 3.0molと分かったので､H2O 3.0molが生成します｡
化学反応式とmol計算 ②
気体1molの体積は､標準状態であれば気体の種類に関わらず22.4Lです｡
2molならば44.8L､4molならば89.6Lと､モル比がそのまま体積比になっています｡モル比＝体積比が成り立っています｡そこで､係数比＝モル比と合わせると､係数比＝体積比も成り立つことが分かります｡
問題 N2 5.6L とH2を触媒を用いて反応させて､NH3を生成した｡H2は何L反応したか(①)｡NH3は何g生成したか(②)｡分子量NH3＝17
解答
5.6÷22.4＝0.25〔mol〕
① H 2 0.25×3×22.4＝16.8〔L〕
② NH3 0.25×2×17＝8.5〔g〕
解説
気体1molは種類に関わらず､22.4Lです｡N2 5.6L を22.4でわり､0.25molを出します｡化学反応式の係数比は1：3：2より､モル比も1：3：2です｡N2 1molとH2 3molが反応し､NH3 2molが生成します｡今回は､N2 0.25molより､H2 0.75molが反応し､NH3 0.50molが生成することになります｡
問題 O2 16.8Lを無声放電させると､O3は何L生成するか？
解答 16.8×2/3＝11.2〔L〕
解説 3O2→2O3
化学反応式の係数比は3：2より､モル比も3：2です｡そして､気体1molの体積は種類にかかわらず22.4Lより､係数比＝モル比＝体積比も成り立ちます｡よって､体積比も3：2です｡
化学反応式とmol計算 ③ 過不足がある場合
反応時に一方が余る、これを過不足があるといいます｡少ない方を見極めることが、考えるポイントです｡たとえば､CH4の燃焼の場合､係数比＝モル比より､CH4が1molあれば､反応するO2は2molです｡
ところが、CH4 1molとO2 3molの場合は､話が少し変わってきます｡CH4 1molとO2 2molが反応し､O2 1molが余ってしまいます｡このような状況が過不足ありです｡反応時に一方が余ってしまうのです｡
ちなみに、『O2 3molが反応する』は､ありえません｡もし､O2 3molが反応するなら､係数比＝モル比より､CH4 は1.5mol必要になりますが､そもそもCH4 は1molしかないからです｡
少ない方を見極めることが、考えるポイントです｡十分に反応が起こったとき､必ずどちらかは全て使われます｡見極めに時間がかかっても､上に書いたような計算を少しすれば分かります｡
問題 エチレンC2H4 2.8gに標準状態で3.36Lの酸素を混合し、この混合気体に点火すると、どちらかの気体の一部が未反応のまま残った｡エチレンと酸素のどちらが残ったか｡分子量C2H4＝28
解答 エチレン
解説
C2H4とO2の物質量molをそれぞれ求めます｡2.8÷28＝0.10〔mol〕3.36÷22.4=0.15〔mol〕次に、係数比は1：3です｡C2H4 1mol にO2 3molが反応できるという割合です｡
ここで、C2H4 0.10mol が全て反応したとすると考えてみましょう｡そうすると､係数比＝モル比が1：3より､O2 0.30molが必要です｡しかし､O2はもともと0.15molしかないため､足りません。よって、C2H4 0.10mol が全て反応したとする はありえないことが分かります｡
したがって､O2 0.15mol が全て反応したとする は起こりえそうです｡係数比＝モル比より､O2：C2H4＝3：1です｡O2 0.15mol と反応するC2H4は 0.050molと求まります｡
C2H4は、もともと0.10molありました｡0.10ｰ0.050＝0.050〔mol〕となり､エチレンC2H4が余ったことが分かります｡
化学反応式とmol計算 ④過不足
反応時に一方が余る、これを過不足があるといいます｡少ない方を見極めることが、考えるポイントでした｡
問題 エチレンC2H4 2.8gに標準状態で3.36Lの酸素を混合し、この混合気体に点火すると、エチレンが未反応のまま残り､二酸化炭素と水が生じた｡生じた水は何gか｡分子量C2H4＝28 H2O＝18
解答
よって、求める水H2Oは､0.10×18＝1.8〔g〕
解説
ステップ① 文中の数値&単位を反応式の下に書く｡
ステップ② molに直す｡
前･反応･後を書く｡
反応前・反応量・反応後の略です。
ステップ③ 少ない方を見極めてから、係数比より､他のmolを書く｡
問題 標準状態(0℃､1気圧)で H2 5.6LとO2 4.2Lの混合気体に点火すると､一方の気体の一部が未反応のまま残り､水H2Oが生じた｡反応後の気体の体積は何Lか｡
解答
反応後に残っている気体はH2のみです｡よって､求める反応後の気体の体積は3.5Lです｡
解説
ステップ① 文中の数値&単位を反応式の下に書く｡
ステップ② 前･反応･後を書く｡
ステップ③ 係数比＝体積比を使う｡