8年生

質量保存の法則・化学量論比

閉じた系では原子が組み替わるだけなので全質量が保存される。平衡係数は定量計算に用いるモル比を定める。

直観直観：粒子と変化

開いた容器で酢と重曹を反応させると気体が逃げ、軽くなったように見える。密閉容器なら二酸化炭素も測定系に残る。

左が反応物、右が生成物。グラム、係数ごとのモル、元素ごとの原子数のいずれでも合計が一致する。

定義: 要点

閉じた系の全物質を含めれば、化学変化で全質量は一定である。化学量論では平衡式のモル比を反応物・生成物量に適用する。

メタン燃焼は $\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$ 。CH₄ 1 molとO₂ 2 molからCO₂ 1 molとH₂O 2 molができる。

\sum m_{\mathrm{reactants}}=\sum m_{\mathrm{products}}\quad(\text{closed system})

例: 例題

CH₄ 2.0 molを完全反応させるにはO₂が何mol必要か。

解答

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂Oの比は1:2なので、CH₄ 2.0 molにはO₂ 4.0 molが必要である。

例: もう一題

44 gのCO₂はC 12 gとO 32 gを含む。88 gのCO₂にはOが何gあるか。

解答

質量を2倍にすると各成分も2倍になる：2 × 32 g = 64 gの酸素。CO₂中のC:O比は12:32で一定である。

質量確認：CH₄ 16 g + O₂ 64 g = CO₂ 44 g + H₂O 36 g = 80 g。係数は粒子またはモル比であり質量比ではない。モル質量を介して換算する。

密閉フラスコでは反応中も天秤の針は動かず、質量は保存される。気体が逃げれば軽く見えるが、逃げた分を含めれば合計は一致する。

例: 計算・応用例題

マグネシウムリボン2.43 gが空気中で完全燃焼して白色粉末MgO 4.03 gが生じた。反応した酸素は何gか。

解答

反応系の質量保存則より：m(Mg) + m(O₂) = m(MgO)。したがって m(O₂) = 4.03 g − 2.43 g = 1.60 g。