高校化学の問題である「メタンと酸素を反応させた際に未反応の気体と生成する水の質量を求める」という問題の解き方について解説します。この問題では、反応後に残る未反応の気体名と生成する水の質量を求める必要があります。
問題の整理と反応式の確認
問題の前提として、メタン（CH₄）と酸素（O₂）が反応して二酸化炭素（CO₂）と水（H₂O）を生成する化学反応があります。反応式は以下のようになります。
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
反応に使われた酸素のモル数を求める
まず、与えられた酸素の体積11.2Lをモル数に変換します。標準状態で1molの気体は22.4Lの体積を占めるため、酸素のモル数は以下のように求めます。
酸素のモル数 = 11.2L ÷ 22.4L/mol = 0.5mol
この酸素0.5molが反応に使われる酸素の量です。
メタンの消費量と残るメタンのモル数
反応式において、メタン1molが酸素2molと反応するため、酸素0.5molに対して消費されるメタンのモル数は以下のように求めます。
消費されるメタンのモル数 = 0.5mol ÷ 2 = 0.25mol
つまり、0.25molのメタンが酸素と反応します。しかし、問題ではメタン6.4gが与えられているため、メタン6.4gのモル数を求めます。
メタンのモル質量はCH₄で16g/molなので、6.4gのメタンのモル数は以下のように求めます。
メタンのモル数 = 6.4g ÷ 16g/mol = 0.4mol
したがって、反応後に残るメタンは0.4mol – 0.25mol = 0.15molです。
生成する水の質量を求める
反応式によると、メタン1molに対して水2molが生成されます。したがって、反応に使われたメタン0.25molから生成される水のモル数は以下のように求めます。
生成される水のモル数 = 0.25mol × 2 = 0.5mol
水のモル質量は18g/molなので、生成される水の質量は以下のように求めます。
水の質量 = 0.5mol × 18g/mol = 9.0g
未反応の気体名
反応に残った未反応の気体は、残ったメタン0.15molです。メタンが残ったことから、未反応の気体はメタンであることがわかります。
まとめ
この問題を解くために、まず酸素のモル数を求め、それに基づいて消費されたメタンの量と残ったメタンの量を計算しました。その後、反応に基づいて生成された水の質量を求めました。最終的に、未反応の気体はメタンであり、生成した水の質量は9.0gであることがわかりました。
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