水素と酸素が反応して水ができる反応は、次の化学反応式で表されます。
水素分子 個と酸素分子 個を混ぜて点火したところ、酸素分子はすべて反応し、水素分子の一部が反応せずに残りました。反応せずに残った水素分子は何個ですか。
化学反応式と分子の数
化学反応式の係数の比を使って、反応する分子・できる分子の数を求め、どちらかが余るときの残りの分子の数や、原子の数の保存から未知の分子の組成を求められる
前提
- 化学反応式の係数 （中学理科 化学変化と原子・分子）
この技能までの道筋（2 技能）
説明
化学反応式の係数は、反応にかかわる分子の数の比を表しています。この技能を使うと、ある分子が何個反応したときに、相手の分子が何個必要で、何個の分子ができるかを計算できます。また、2 種類の分子を決まった数だけ混ぜて反応させたとき、どちらが何個余るかを求めたり、原子の数が反応の前後で変わらないことから、わからない分子の化学式を求めたりできます。
なぜそうしてよいのか
たとえば という化学反応式は、「水素分子 2 個と酸素分子 1 個が反応して、水分子 2 個ができる」という 1 回分の反応を表しています。実際の反応では、この 1 回分の反応が何回もくり返し起こります。1 回分の反応が 5 回起これば、水素分子は 個、酸素分子は 個使われ、水分子は 個できます。何回くり返しても、使われる分子とできる分子の個数の比はいつも係数の比 のままです。だから、係数の比を使って比例の計算をすればよいのです。
2 種類の分子を混ぜたとき、反応は片方の分子がなくなった時点で止まります。そのため、係数の比から「相手を全部反応させるのに必要な数」を計算し、足りないほう（先になくなるほう）を基準にして反応の回数を決めます。もう片方は、もとの数から反応した数を引いた分だけ余ります。
また、化学反応式の係数を決めたときと同じように、反応の前後で原子の種類と数は変わりません。反応の前後でそれぞれの原子の数を数えて比べれば、化学式のわからない分子に何の原子がいくつ含まれているかを求めることもできます。
手順
化学反応式を書き、係数を最も簡単な整数にそろえる（例: ）。
係数の比を、反応する分子・できる分子の数の比として読む（例: ）。
2 種類の分子の数が与えられたら、片方を全部反応させるのに必要な相手の数を係数の比から計算し、足りるかどうかを比べて、先になくなるほう（全部反応するほう）を決める。
全部反応するほうの数を基準に、比例の計算で反応する相手の数・できる分子の数を求める（例: が 個反応すると は 個反応し、 は 個できる）。
余るほうの分子の数は「はじめの数 − 反応した数」で求める。
化学式のわからない分子があるときは、反応の前後で原子の種類ごとに数を数え、等しくなるように組成を決める。
例題
水素と酸素が反応して水ができる反応は、 で表される。水素分子 10 個と酸素分子 8 個を混ぜて、どちらかがなくなるまで反応させた。反応後に余る分子の数は何個か求めよ。
例題の解答
手順 1・2: 化学反応式 の係数から、反応する分子の数の比は である。
手順 3: 水素分子 10 個を全部反応させるのに必要な酸素分子は 個である。酸素分子は 8 個あるので足りる。よって、水素分子が先になくなり、水素分子 10 個が全部反応する。（逆に酸素分子 8 個を全部反応させるには水素分子が 個必要で、10 個では足りないことからも確かめられる。）
手順 4: 水素分子 10 個と反応する酸素分子は 5 個である。
手順 5: 余る分子は酸素分子で、その数は 個である。
（このとき、できる水分子は 個である。）
答え:
よくある誤り
与えられた分子の数をそのまま全部反応させてしまう誤り。たとえば水素分子 10 個と酸素分子 8 個で、両方とも全部反応すると考えるのは誤り。正しくは係数の比 から、水素分子 10 個と反応する酸素分子は 5 個だけで、酸素分子が 個余る。
係数の比を逆に使ってしまう誤り。 で水素分子 10 個に必要な酸素分子を 個としてしまうのは誤り。正しくは なので、 個である。
数の多いほうが余ると思い込む誤り。水素分子 10 個と酸素分子 8 個では水素分子のほうが多いが、余るのは酸素分子である。正しくは、片方を全部反応させるのに必要な相手の数（ は 5 個必要、8 個あるので足りる）を計算して比べる。
原子の数と分子の数を混同する誤り。 分子 3 個を「酸素が 3 個」として原子の数を 3 個としてしまうのは誤り。正しくは 分子 1 個に酸素原子が 2 個あるので、酸素原子は 個である。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
メタン が酸素 と結びついて完全に燃焼すると、二酸化炭素 と水 だけができる。この化学変化を表す化学反応式は
と書ける。ここで , , は、化学反応式の係数として最も簡単な整数（係数が 1 のときは省略せずに 1 とする）である。メタンの分子 個を完全に燃焼させるとき、過不足なく反応する酸素の分子は何個ですか。
家庭用のガスボンベなどに使われるプロパンは、炭素原子 個と水素原子 個が結びついた分子からなる物質で、化学式は と表される。プロパンを酸素 と完全に反応させる（完全燃焼させる）と、二酸化炭素 と水 だけができる。
この反応で、酸素分子 個がプロパン分子と過不足なく反応したとき、できる水分子は何個ですか。
アルミニウム の粉末を酸素 中で加熱すると、アルミニウムは酸素と結びついて酸化アルミニウムになる。酸化アルミニウムは、アルミニウム原子 個と酸素原子 個の割合で結びついた物質で、化学式は と表される。この化学変化を表す化学反応式は
と書ける。ここで は、できるだけ小さい正の整数とする。アルミニウム原子 個が、十分な量の酸素とすべて反応して酸化アルミニウムになるとき、反応する酸素分子 は何個ですか。
水素 と酸素 が反応すると、水 ができる。この化学変化を表す化学反応式は
と書ける（, , は最も簡単な整数の係数）。水素の分子 個と酸素の分子 個を密閉した容器に入れ、点火してどちらか一方がなくなるまで反応させた。反応後の容器の中にある分子の数は、できた水の分子と、反応せずに残った分子を合わせて全部で何個ですか。ただし、水素と酸素は水ができる反応以外は起こさないものとする。
物質 は分子からできており、その分子は炭素原子・水素原子・酸素原子のうちのいくつかの種類の原子だけが結びついてできている。物質 を酸素中で完全に燃焼させたところ、二酸化炭素と水だけができた。このとき、反応した分子と、できた分子の数を調べると、 の分子 個と酸素分子 個が過不足なく反応し、二酸化炭素分子 個と水分子 個ができたことがわかった。
の分子 個にふくまれる原子の数は、全部で何個ですか。ただし、化学変化の前後で、原子の種類と数は変わらないものとする。
エタンは、炭素原子 個と水素原子 個が結びついた分子からなる気体で、化学式は と表される。エタンが酸素 と反応すると、二酸化炭素 と水 だけができる。
密閉した容器に、エタン分子と酸素分子を合わせて 個入れ、点火して反応させた。反応後、容器を冷やしてできた水をすべて液体にしたところ、容器の中に残った気体の分子（二酸化炭素分子と、反応しないで残った酸素分子）は合わせて 個であった。このとき、エタン分子はすべて反応し、酸素分子の一部が反応しないで残っていた。
反応しないで残った酸素分子は何個ですか。