過不足のある反応

昨日受けた質問がこちら。

温度一定で体積5.0(L)の容器に一酸化炭素と酸素の分圧がそれぞれ1.8×10(Pa)と1.2×105(Pa)で入っている(全圧は3.0×105(Pa))。この混合気体に点火して燃焼させた後、もとの温度に戻した。燃焼後の混合気体の全圧、および存在している各気体の分圧を求めよ。

ポイントは『分圧比=物質量比』です。ただしこの問題では、混合気体を燃焼する際、反応する気体の物質量に過不足があることを考慮しなければいけません。具体的にみていきましょう。
一酸化炭素が燃焼する化学反応式が2COO22CO2は大丈夫ですね。容器内のCOO2の物質量比=分圧比が1.8×10:1.2×105=3:2なのに対して化学反応式の係数からCOO22:1の物質量比で反応するため、どちらかの気体が余ります。2:1でちょうど反応するところを3:2で存在しているときにどちらが余るか?分かりづらいですよね。
過不足がある反応の場合は片方を基準にして比較します。酸素を基準にしますよ。COO2の2倍の物質量で反応しますからO223:22とすると2×2=4必要です。しかしCO3しかありませんから一酸化炭素は全て反応して酸素が余ることになります。これさえわかれば具体的な量関係が計算できます。
COO2の物質量をCO=3x(mol),O2=2x(mol)とおいて反応後に存在する気体の物質量を求めます。化学反応式よりCOO2CO2の物質量の比が2:1:2ですから、すべて反応するCO3x(mol)を基にして、反応するO21.5x(mol)、生成するCO23x(mol)になります。したがって反応後に存在する気体の種類と物質量は、酸素が2x1.5x=0.5x(mol)および二酸化炭素が0+3x=3x(mol)です。
また混合気体の総物質量は反応前が3x+2x=5x(mol)で反応後は0.5x+3x=3.5x(mol)です。これらの総物質量比と全圧比は等しいので5x:3.5x=3.0×105:P より P=2.1×105(Pa)が求まります。最後に、酸素と二酸化炭素の分圧比は、O2CO2の物資量比0.5x:3x=1:6と等しいので PO2=2.1×105×17=3.0×104(Pa),PCO2=2.1×105×67=1.8×105(Pa)となります。
このように過不足のある反応では、余る物質を見つけたあとに全て反応する物質の物質量を基にして化学反応式の係数比から他の物質の反応量を計算していきます。

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