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

問題1
プロパン(C3H8)88gを、酸素(O2)32gと共に燃焼させた。この時余った反応物(プロパンor酸素)と生成物の質量を求めよ。(ただし原子量は次の通りとする:C=12,H=1,O=16)

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。

プロパンの過不足が出る燃焼反応問題の表(反応前)

<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。

プロパンの過不足が出る燃焼反応問題の表(反応中)

<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。

プロパンの過不足が出る燃焼反応問題の表(反応後 )

<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、

答1
余った反応物はC3H8で9/5(mol)・44(g/mol)=79.2(g)、

生成された二酸化炭素は3/5(mol)・44(g/mol)=26.4(g)、水は4/5(mol)・18(g/mol)=14.4(g)

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。

 

過不足のある反応(硫酸と水酸化ナトリウムの中和バージョンの表)

<定着問題解説図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。

一旦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。

過不足のあるアンモニア生成反応の表(標準状態での気体との融合)

<定着問題解説図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、殆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(記事中の問題で表を使います。)

 

 

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