化学量論は、化学反応における反応物と生成物の量的関係を扱う化学の分野です。化学量論を理解することで、化学者は反応で消費される物質と生成される物質の量を判断できるため、実験室での作業や産業用途に非常に重要になります。
化学量論では、化学式は化学反応の処方箋を提供します。どの反応物が結合し、どのような生成物が形成されるか、またそれぞれの量を示します。メタンの燃焼の式を考えてみましょう。
\( \textrm{中国語}_4 + 2\textrm{お}_2 \rightarrow \textrm{CO について}_2 + 2\textrm{H}_2\textrm{お} \)この式は、メタン分子 1 個 ( \(\textrm{中国語}_4\) ) が酸素分子 2 個 ( \(2\textrm{お}_2\) ) と反応して二酸化炭素分子 1 個 ( \(\textrm{CO について}_2\) ) と水分子 2 個 ( \(2\textrm{H}_2\textrm{お}\) ) が生成されることを示しています。
モルは化学で化学物質の量を表すために使用される単位です。1 モルには、正確に\(6.022 \times 10^{23}\)個の物質粒子 (アボガドロ数) が含まれます。モルの概念を使用して、化学者は物質の質量を反応に関与する粒子またはモルの数に関連付けることができます。
化学式の化学式の前にある数字は、化学量論係数と呼ばれます。これは、反応物が結合して生成物が形成される割合を示します。メタン燃焼の例では、化学量論係数は、メタンが 1、酸素が 2、二酸化炭素が 1、水が 2 です。
化学量論計算を行うには、多くの場合、モルをグラムに、またはその逆に変換する必要があります。これは、物質のモル質量、つまりその物質 1 モルの質量を使用して行うことができます。化合物のモル質量は、その成分のモル質量の合計です。例:
\(50.0\, \textrm{グ}\)のメタンが酸素中で完全に燃焼したときに生成される二酸化炭素の質量を計算してみましょう。メタンのモル質量は\(16.04\, \textrm{グラム/モル}\)で、二酸化炭素のモル質量は\(44.01\, \textrm{グラム/モル}\)です。
まず、メタンの質量をモルに変換します。
\( \textrm{CHのモル数}_4 = \frac{50.0\, \textrm{グ}}{16.04\, \textrm{グラム/モル}} \)平衡方程式の化学量論係数を使用すると、1 モルのメタンから 1 モルの二酸化炭素が生成されることがわかります。したがって、生成される二酸化炭素のモル数は、反応したメタンのモル数に等しくなります。
次に、二酸化炭素のモル数をグラム数に変換します。
\( \textrm{COの質量}_2 = \textrm{COのモル数}_2 \times \textrm{COのモル質量}_2 \)化学反応において、制限反応物は最初に完全に消費され、生成できる生成物の最大量を決定する物質です。理論収率は、制限反応物の量に基づいて、反応から予測される生成物の最大量です。
限界反応物を特定するには、利用可能な反応物のモル比と、バランスの取れた化学式で必要なモル比を比較します。化学量論比に従って最小量の生成物を生成する反応物が限界反応物です。理論収率を計算するには、限界反応物の量と反応の化学量論を使用します。
窒素ガス ( \(\textrm{いいえ}_2\) ) と水素ガス ( \(\textrm{H}_2\) ) が反応してアンモニア ( \(\textrm{NH}_3\) ) が生成される場合を考えます。
\( \textrm{いいえ}_2 + 3\textrm{H}_2 \rightarrow 2\textrm{NH}_3 \)28 g の\(\textrm{いいえ}_2\)と 10 g の\(\textrm{H}_2\)がある場合、どの反応物が限界となり、 \(\textrm{NH}_3\)の理論収率はいくらでしょうか?
\(\textrm{いいえ}_2 = 28.02\, \textrm{グラム/モル}\) ; \(\textrm{H}_2 = 2.016\, \textrm{グラム/モル}\)
グラムをモルに変換する:
\( \textrm{Nのモル数}_2 = \frac{28\, \textrm{グ}}{28.02\, \textrm{グラム/モル}} \) \( \textrm{Hのモル数}_2 = \frac{10\, \textrm{グ}}{2.016\, \textrm{グラム/モル}} \)利用可能な\(\textrm{H}_2\)と\(\textrm{いいえ}_2\)のモル比を、式から得られる化学量論比と比較します。限界反応物によって、生成できる\(\textrm{NH}_3\)の最大量が決まります。化学量論係数を使用して、限界反応物のモル数を\(\textrm{NH}_3\)のモル数に変換し、必要に応じてグラム数に変換します。
化学量論的計算は、純粋な形の反応物と生成物に限定されず、溶液にも適用されます。水溶液では、濃度はモル濃度、つまり溶液 1 リットルあたりの溶質のモル数 ( \(M = \textrm{モル/L}\) ) で表されることがよくあります。
溶液中で反応を行う場合、溶液の体積とモル濃度を使用して、関与する反応物または生成物のモル数を調べることができます。これは、既知の濃度の溶液を使用して中和によって未知の溶液の濃度を決定する滴定実験で特に役立ちます。
1.0 M HCl 溶液 50.0 mL を NaOH 溶液で中和する必要があるとします。反応は次のようになります。
\( \textrm{塩酸} + \textrm{水酸化ナトリウム} \rightarrow \textrm{塩化ナトリウム} + \textrm{H}_2\textrm{お} \)反応の化学量論によれば、1 モルの HCl が 1 モルの NaOH と反応して 1 モルの NaCl と 1 モルの水が生成されます。まず、HCl のモル数を決定します。
\( \textrm{HClのモル数} = \textrm{容量（リットル）} \times \textrm{モル濃度 (M)} \)次に、化学量論比を使用して、HCl 溶液と完全に反応するために必要な NaOH 溶液の量を計算します。この例では、溶液の濃度と量によって反応物と生成物の量が決まります。溶液における化学量論の応用を示します。
化学量論は化学反応における反応物と生成物の定量分析を可能にする化学の基本概念です。反応に関与するさまざまな物質の量の関係を理解することで、化学者は生成物の収量を予測し、制限反応物を特定し、反応に必要な物質の量を計算することができます。純粋な形での反応でも溶液での反応でも、化学量論計算は実験室実験と工業化学プロセスの両方に貴重な洞察を提供します。モル概念、化学量論係数、モルとグラムの変換や溶液中の濃度の決定などの主要コンポーネントは、これらの計算を正確に実行するために不可欠です。実践と応用を通じて、化学量論計算を習得し、幅広い化学問題に適用することができます。
