高校化学基礎: メタンの燃焼に必要な空気の量を求める方法

高校化学基礎で出題される問題の一つとして、メタンの燃焼に必要な空気の量を求める問題があります。ここでは、メタンの完全燃焼に必要な酸素の量を求め、その酸素を供給するために必要な空気の体積を計算する方法について解説します。

1. メタンの化学反応式を確認する

メタン(CH4)が酸素(O2)と反応する化学反応式は次の通りです。
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

この反応式から、メタン1モルが完全に燃焼するためには、酸素2モルが必要であることがわかります。

次に、問題で与えられたメタンの質量4.80gをモル数に換算します。メタンのモル質量は、Cの原子量12.0とHの原子量1.0を使って計算できます。

メタンのモル質量 = 12.0 + 4 × 1.0 = 16.0g/mol

したがって、メタンのモル数は次のように求められます。
モル数 = 4.80g ÷ 16.0g/mol = 0.300 mol

反応式から、メタン1モルあたり酸素2モルが必要であるため、0.300モルのメタンを燃焼させるために必要な酸素のモル数は次のように求められます。

必要な酸素のモル数 = 0.300 mol × 2 = 0.600 mol

空気中の酸素の体積比は、N2: O2 = 4:1ですので、空気1Lに含まれる酸素の量は0.2Lとなります。

0.600モルの酸素を供給するために必要な空気の体積は、次のように計算できます。

酸素のモル体積は、0℃、1気圧において約22.4L/molです。

酸素の体積 = 0.600 mol × 22.4 L/mol = 13.44L

したがって、空気中に含まれる酸素の割合が1/5であるため、必要な空気の体積は次のように求められます。

必要な空気の体積 = 13.44L × 5 = 67.2L

このように、メタン4.80gを完全に燃焼させるためには、0℃、1.013×10⁵Paの条件下で67.2Lの空気が必要となります。計算過程をしっかりと理解して、同様の問題に挑戦してみましょう。