過不足のある化学反応の問題を解くコツと必ず書くべき図【保存版】

過不足のある化学反応(基本と前/中/後の図/表)

＜この記事の内容＞:『化学反応の結果、反応物のいずれかが余る/不足する』といった、いわゆる【過不足】に関係する問題の解き方を紹介していきます。

化学反応式の過不足問題の目印と必ず描く"図(表)"

今回扱う反応物(化学反応式の左側)が完全に反応しきれない(つまり余る物質が出てくる)問題は、何から手をつけて良いのか分からなくなりがちです。

ここでは、まず化学反応式を作り(係数を合わせて)→過不足問題を解くコツである図(表)を書く方法を紹介します。

理解出来たら、次の定着用の演習問題を自力で解いてみてください。

(molの復習も載せているので、適宜ご利用ください)

反応式を作る

この反応は燃焼反応なので、二酸化炭素と水が生成されます。

C₃H₈+O₂→CO₂+H₂O・・・（※)

（※)の式の係数は、目算法か「未定係数法」で決定します。

(係数を求めることが苦手な方は、→「化学反応式の係数を100%確実に求める【未定係数法】」を先にご覧ください。)

すると、（※）はC₃H₈+5O₂→3CO₂+4H₂O・・・（※’)

となります。

反応式の下に「反応前」「中」「反応後」の図を書く【最重要】

係数を合わせて反応式が完成したら、過不足のある化学反応の問題を解くにあたって最も重要な【反応前/中/後の図表】を作ります。

具体的に一つ一つ紹介するので、ぜひ習得してください！

反応前の表の書き方

まず一番上に反応式を書き、以下の＜図１＞のように反応前・中・後の３段を作ります。

反応前の段に、問題文で与えられた質量と原子量からmol数を計算し、反応物（式の左側）にそれぞれ記入します。

この時、まだ反応は起こっていないので生成物（式の右側）には０と記入します。

＜図１：反応前＞

これで１段目が埋まりました。

反応中の表の書き方

次に、反応物のうちどちらが余るのか、物質量(mol)と反応式の係数比に注目して考えます。

ここでプロパンが全て反応したと仮定すると、プロパンの係数：酸素の係数＝１：５なので酸素が２×５＝10mol必要です。

しかし実際には1mol分しか酸素は存在しないため、この過程は誤りで『酸素の方が全て反応し、プロパンが余る』ことがわかります。

以上のことを踏まえると、

先ほどと同様に係数比とmol比の関係より、プロパンは1×1/5=1/5(mol)消費されることが計算できます。

・次に、この結果に基づいて減少するプロパンと酸素のmol数を”反応中の段”の反応物側にー◯mol(図中の青色の文字の部分)、

・新たに生成される二酸化炭素と水についても、それぞれ係数比にあわせて +△mol(赤色の文字で書いた部分)を記載します。

＜図２前→中＞

反応後の表の書き方

ここまで来れば残りは1段目(反応前) +2段目を計算し、3段目の反応後のところに書きます。

以下の＜図３＞のようにプロパンが  9/5molあまり、二酸化炭素は3/５mol・水は4/5mol生成されます。

＜図３:反応後＞

単位を変換して答えを出す

問われているのは「質量」だったので、mol×分子量を各々計算すると、

過不足ある化学反応の練習問題(基礎)

ここでは、化学反応の練習問題のレベルを基本的なものにとどめています。

しかし、ここで過不足のある問題の解法を習得すれば、さらに応用が必要な場面でも解いていくことが可能です。

定着問題

＜定着問題1＞

硫酸H₂SO₄ を49(g)、水酸化ナトリウムNaOHを80(g)を用意して中和反応を起こした。

反応後に余った反応物と、生成物のそれぞれの質量を求めよ。

＜定着問題2＞

標準状態で22.4(L)の窒素N₂と44.8(L)の酸素O₂をを反応させてアンモニアNH₃が生成された。

この時、余った反応物と生成されたアンモニアの（標準状態での）体積を求めよ。

ただし、原子量はそれぞれ『H＝1、Na＝23、N＝14、O＝16、S＝32』とする。

定着問題1のhints！酸塩基反応

問1では、硫酸と水酸化ナトリウムの中和反応を扱います。

定着問題2のhints！NH3生成反応と標準状態での気体の体積

問2はアンモニアの生成反応ですが、“標準状態でのmolと体積の関係”を確認する問題です。

（忘れていたら要チェック）『標準状態(0℃、1013hPa)において、どんな気体原子でも1molあたりの体積は22.4Ｌとなります。』

回答解説

では、解答、解説を行なっていきます。

定着問題1の解説

定着問題１は先ほどの問題と手順がほとんど変わりません。

硫酸と水酸化ナトリウムを正しくmolに変換できたか？という点と、生成物である「塩：硫酸ナトリウム」、「水」が分かれば同様に解いていくことができます。

＜定着問題の解説図１＞

表を完成させて、

＜答＞：水酸化ナトリウム40(g)が余り、硫酸ナトリウム72(g)と水18(g)が生成された。

定着問題2の解説

問題２がこれまでと違う点は、上述した通り「(標準状態での)体積とmolの相互変換がきちんとできるか」です。

標準状態のもとでの窒素・酸素を、問題文の体積からmolに変換すると、それぞれ1mol、２molとなります。

いったんmolに変換した後は、これまでと同じく前・中・後の段を埋めていきます。

＜定着問題の解説図２＞

以上より、

・余った反応物は窒素で1/3(mol)、

・生成されたアンモニアは4/3(mol)

と求まったので、最後に標準状態での体積に変換しなおせば(答)です。

従って、（答）：窒素は1/3(mol)・22.4(L/mol) ≒7.5(L)、アンモニアは4/3(mol)・22.4(L/mol)≒29.9(L)

化学反応(過不足)基礎編のまとめ

・過不足のある反応では、今回紹介した『反応前・中・後の表』さえ作ることが出来れば、ほとんどの問題に対応できます。

また、この表（図）はのちに学ぶ”平衡”などの分野でも利用することになるので、類題を探して今のうちにしっかりと作る練習をしておきましょう！

この記事の関連ページ

・化学反応式の係数は「反応式の係数を確実に決定する２つの方法」の記事（目算法・未定係数法の解説）

・弱酸・弱塩基の反応は「弱酸・弱塩基と電離度α、そして電離平衡」の記事（記事中の【電離平衡】の問題で表を使います。）

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