化学反応式と量的関係

Stoichiometry

化学反応式の係数はモル比そのものであり、気体では体積比にもなります。反応物が過剰にあるとき、先に使い切られる限定試薬が生成物の量を決め、反応前後の総質量は保存されます。解き方は質量をモルに直し、係数比を適用してから必要な単位へ戻す流れです。このページではH₂とO₂の投入量を変え、モル比·限定試薬·質量保存をスライダーで確かめます。

化学反応式が教えてくれること

H₂モル数2 mol

💡 核心:係数 = モル比

①2H₂ + O₂ → 2H₂O で係数比 = 2:1:2

②これがそのままモル比 = 2:1:2

③H₂ 2 molが反応すればO₂ 1 mol必要

④生成するH₂Oも正確に2 mol

限定試薬

H₂投入量4 mol

O₂投入量1.5 mol

限定試薬の判定法

各反応物の投入mol係数を比較 → 最小が限定試薬

限定試薬が生成物の量を決める

🔍 スライダーで確認!

①H₂ = 4 mol、O₂ = 1.5 molなら:O₂が限定試薬

②O₂ 1.5 mol → H₂O 3 mol生成 → H₂が1 mol残る

③限定試薬が尽きると反応終了

④残る反応物 = 過剰試薬

質量保存の法則

質量保存

反応物の総質量 = 生成物の総質量

原子は生成も消滅もしない

モル → 質量変換

m = n × M

n:モル数、M:モル質量[g/mol]

💡 量的関係の解法手順

①反応式を完結(未定係数法)

②与えられた量 → モル数に変換

③係数比を適用 → 目標物質のモル数

④モル数 → 求める単位(質量·体積など)に変換

実際に解いてみる

例題 1

2H₂ + O₂ → 2H₂O で、H₂ 4 mol が完全に反応するとき生成する H₂O の物質量は?

係数比がそのまま物質量比なので、H₂ と H₂O の比を書く。

H₂ : H₂O = 2 : 2 = 1 : 1

比が 1:1 なので H₂ の物質量がそのまま H₂O の物質量になる。

4 mol H₂ → 4 mol H₂O

▸ 4 mol

係数比 2:2 は約分すると 1:1 — 反応した H₂ と生成した H₂O の物質量は等しい。

例題 2

C + O₂ → CO₂ で、炭素(C) 6 g が完全燃焼するとき生成する CO₂ の質量は?(C=12、O=16)

質量を物質量に換算する。

n(C) = 6 g ÷ 12 g/mol = 0.5 mol

係数比 C:CO₂=1:1 で CO₂ の物質量を求め、質量に換算する。(M(CO₂)=44)

0.5 mol × 44 g/mol = 22 g

▸ 22 g

質量 → 物質量 → 係数比 → 物質量 → 質量の標準的な流れに従う。

総まとめ

量的関係の核心

係数比 = モル比 = 体積比(気体)

化学反応式の係数が全ての量的関係の鍵

2022 評価院模試化学Ⅰ 類題

N₂ + 3H₂ → 2NH₃ で、N₂ 2 mol と H₂ 3 mol を反応させるとき、生成する NH₃ の最大物質量は?(一方の反応物が不足)

①1 mol

②2 mol

③3 mol

④4 mol

⑤6 mol

▸ ② 2 mol

N₂ 2 mol を使い切るには H₂ 6 mol が必要だが H₂ は 3 mol しかないので、H₂ が限定試薬である。

限定試薬 H₂ 3 mol に係数比 2 NH₃ / 3 H₂ を適用する。

3 mol H₂ × 23 = 2 mol NH₃

🎯 試験ポイント

①係数比 = モル比(気体なら体積比も同じ)

②限定試薬判定:各反応物のmol/係数比較

③質量保存:反応前後の総質量不変

④モル → 質量:m = nM、モル → 体積(STP):V = 22.4n

⑤未定係数法:各元素の原子数を合わせる