化学の知識に自信がないので、問題と解答を丸写しさせていただきます。
【問題】水素と一酸化炭素の混合気体80mLに、酸素100mLを加えて完全燃焼させたら、反応後に90mLの気体が残った。はじめの混合気体中には、水素と一酸化炭素がそれぞれ何mLずつ含まれていたか。ただし、気体の体積はすべて標準状態で測定した値とする。
【解答】水素と一酸化炭素の燃焼する化学反応式を書き、混合気体中の水素をxmL、一酸化炭素をymLとおく。気体間の反応では、体積比=係数比だから、体積変化の量的関係は、次の通り。
2H2 + O2 ----------> 2H2O
反応前 x 100 0[mL]
反応後 0 100-x/2[mL] 0(液体)
2CO + O2 ----------> 2CO2
反応前 y 100 0[mL]
反応後 0 100-y/2 y [mL]
反応前の気体の体積:x + y = 80 ---------(1)
反応後に残った気体の体積:(100-x/2-y/2) + y = 90 --------(2)
(1)、(2)より、
x = 50[mL]、y = 30[mL]
【質問】
(1)反応物が混合気体の場合は、構成物ごとに反応式を書くのだということは、理解しました。でも、反応前のO2の体積が、なぜ両方とも100[mL]となるのかが理解できません。2つの反応前の体積の状態を足せば、(x+y) + 200 となって、題意に沿わない気がするのですが。例えばH2と反応した方のO2をz[mL]などとし、COと反応した方のO2を100-z[mL]とする方がより正確ではないでしょうか?
(2)上記(1)の疑問はとりあえずおいておくとします。反応後のO2の体積が、100-x/2や100-y/2となっているのは、2モルのH2やCOと反応するO2は1モル分なので、単純にxやyの1/2倍の体積だけ消費された、との考えで正しいでしょうか?
(3)この問題では、O2の一部が反応せずに残ったと決めつけて計算をしていますが、その根拠はどこから来るのでしょうか?H2やCOの方が反応せずに残る(=O2は全部反応に使われる)可能性は考えなくていいのでしょうか?
化学の勉強を始めたばかりで、おかしな事を言っているかもしれませんが、合わせてご指摘いただければ助かります。
No.4ベストアンサー
- 回答日時:
No.3です。
そんなにおかしくはない問題だと思いますが・・アボガドロの法則(同温度圧同体積の気体には同じ数の分子がある)についての問題。
>O₂の一部が反応せずに残ったと決めつけて計算をしていますが
80mLがすべて水素でも、一酸化炭素でも必要な酸素は40mLですよ。
・・・「完全燃焼させたら」この点を見逃してしまうのは化学屋じゃない。
要は「全部が一酸化炭素だと40mL体積が減り、全部が水素だと120mL体積が減る」ことに気が付けばよいだけの単純な問題です。
そのためには、化学反応式が正確に書けて、アボガドロの法則を知らなければならない。
この二点の化学で大事なことを問われている。ある意味良い問題ですよ。
H₂ + 1/2O₂ ―→ H₂O
 ̄120mL ̄  ̄0mL ̄
CO + 1/2O₂ ―→ CO₂
 ̄120mL ̄  ̄80mL ̄
二度目のご登場、ありがとうございます。
そうですね。言われてみれば、なるほどと気づくことができるんですが。。。
化学の計算に慣れるよう、頑張って勉強します。
No.3
- 回答日時:
率直に解いてみます。
>水素と一酸化炭素の混合気体に、酸素を加えて完全燃焼させた
H₂ + 1/2O₂ ―→ H₂O
1 : 1/2 : 0 気体の体積
CO + 1/2O₂ ―→ CO₂
1 : 1/2 : 1
★ここでいう水素,一酸化炭素は物質で、二原子分子といわれる分子状態
★ 問題文から、反応物の係数は1にしておくほうが楽
★ この手の問題では生成した水は液体と考える。
 ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄
全部(80mL)が水素なら酸素は(40mL)消費されて、全体の体積は60mLになるはず。
H₂ + 1/2O₂ ―→ H₂O
80mL 40mL(+60mL) 0mL (+ 60mL) = 60mL
全部(80mL)が一酸化炭素なら酸素は(40mL)消費されて、全体の体積は60mLになるはず。
CO + 1/2O₂ ―→ CO₂
80mL 40mL(+60mL) 80mL (+ 60mL) = 140mL
鶴亀算で、80 × (140 - 90)/(140 - 60) = 50mLが水素
これじゃ、あまりにも簡単で面白くないので方程式を使って解くと・・。
x + y = 80
180 - x - (1/2)x - (1/2)y = 90
↑ ↑ ↑ └ 一酸化炭素用酸素
↑ ↑ 水素用酸素
↑ 水素が燃えて
最初の全量
x + y = 80
x + (1/2)x + (1/2)y = 90
整理して
x + y = 80
3x + y = 180 上の式を引くと
x + y = 80
2x = 100 2で割ると
x + y = 80 下式を引くと
x = 50
y = 30
x = 50
どんな方法で解いてもよい。
(2)上記(1)の疑問はとりあえずおいておくとします。反応後のO2の体積が、100-x/2や100-y/2となっているのは、2モルのH2やCOと反応するO2は1モル分なので、単純にxやyの1/2倍の体積だけ消費された、との考えで正しいでしょうか?
それでも良いですが、通常は水素や一酸化炭素1molを燃焼させるために1/2モルの酸素がいると考えるべきです。下手にややこしくするだけ。
(3)この問題では、O2の一部が反応せずに残ったと決めつけて計算をしていますが、その根拠はどこから来るのでしょうか?H2やCOの方が反応せずに残る(=O2は全部反応に使われる)可能性は考えなくていいのでしょうか?
これは、先の「鶴亀算」見ればわかるように、酸素が足りないということはありえない。・・・必ずしも代数的な解き方がベストなわけではないですよ。
こんにちは。お礼が遅くなってすみません。ご回答ありがとうございます。
鶴亀算、懐かしいですね~。このような問題では、反応物の係数を1にした方が考えやすいのですね。
「完全燃焼」という言葉を知りませんでしたが、解き方によっては酸素が足りなくなることはない、ということまでわかるのですね。うーん、難しいですがおもしろいです。
No.2
- 回答日時:
#1のお答え通りです。
(1)はあなたが正しいが、酸素なんかいくらでも良いのです。問題は、(100-x/2-y/2) + y = 90と書いてある様に回答者はちゃんと酸素は100mLしかないことを理解しています。
(2)これも#1のお答え通りです。
(3)この場合も#1のお答え通りなのですが、COもH2もO2も残ると考えると解けなくなります。完全燃焼はCOやH2が燃焼せずにO2も残って最大の発熱に至らないことを許しません。つまり燃える物は全部燃えるのです。
あなたには不幸ですが、この問題集は捨てなさい、プロから見るとクズです。
こんにちは。お礼が遅くなってすみません。ご回答ありがとうございます。
仰る通り、酸素なんかはいくらでもよいのですね。まだこの辺のセンスのようなものがわからず、とまどってしまいました。
「完全燃焼」では、最大の発熱になるということなのですね。勉強になります。
>あなたには不幸ですが、この問題集は捨てなさい、プロから見るとクズです。
書店でいろいろ見比べながら買ったつもりなのですが、ショック!です。
もう一つ曖昧な記述が見つかったら、捨てようかな。。。
No.1
- 回答日時:
(1)は貴方の仰るとおりなのですが、深く考えてはいけない所だと思います。
酸素100mLに対して反応後O2体積を判り易く説明するために、
100-x/2[mL]、100-y/2[mL]として問題を説明しているのだと思いますが、かえって混乱を招きかねないような記述の仕方だと思います。
>反応後に残った気体の体積:(100-x/2-y/2) + y = 90 --------(2)
となっていて、一応、その上の反応式での説明を少し修正していますよね。
(2)の理解はそれで良いと思いますが、水素や窒素、酸素などは、同じ原子が二つ共有結合で結びついた2原子分子ということも頭の隅に入れておいて下さい。
COも2原子分子なのですが、こちらは炭素と酸素で違いますよね。
(3)問題をつくった人にしか判りませんが、
問題文中に「完全燃焼」と設定がある以上、「H2やCOの方が反応せずに残る」可能性はゼロにならなといけないのです。
もし問題を解くにあたって計算してみて、水素や一酸化炭素が反応せずに残る・酸素が足りない、等があれば問題自体が間違っている事になります。
こんにちは。お礼が遅くなってすみません。ご回答ありがとうございます。
(1)は、あまり深く考えるところではないのですね。確かに後からしれっと直っている(?)ので、少し気持ち悪いですが。
「完全燃焼」という言葉が入っていれば、反応物の方は全部反応に使い切るという意味になるのですね。知らなかったので、覚えておきます。ありがとうございました。
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