4.1 : 反応量論

バランスのとれた化学式は、非常に簡潔な形式で多くの情報を提供します。 化学式は化学変化に関与する反応物質と生成物質の固有性を提供し、反応の分類を可能にします。 係数はこれらの化学種の相対的な数を示し、反応によって消費される物質と生成される物質の量の関係を定量的に評価することができます。 これらの定量的関係は、反応の化学量論と呼ばれ、ギリシャ語の「stoicheion」（「元素」という意味）および「metron」（「測定」という意味）から派生した用語です。  

反応の化学量測定は、目的の量の生成に必要な反応物質の量を予測するのに役立ちます。場合によっては、特定の量の反応物質から生成される生成物質の量を予測するのに役立ちます。  

化学量論的係数

化学方程式の係数は、各物質のモル数を表す。たとえば、窒素ガスと水素ガスを反応させてアンモニアを生成することを考えます。 化学量論は、窒素 1 モルと水素 3 モルが反応して 2 モルのアンモニアを生成することを示しています。

1 モルにはアボガドロの分子数が含まれているため、分子の相対数はモルの相対数と同じです。 この方程式の他の読み方は、「窒素1 分子と水素3 分子が反応してアンモニア 2 分子を生成する」です。

化学量論的係数

バランスのとれた化学式は、ある反応物をある量の別の反応物と反応させるために必要な反応物の量、あるいは、ある量の生成物を得るために必要な反応物の量などを決定するために使用されます。 バランスのとれた方程式の係数は、必要な量の計算を可能にする化学量論係数を得るために使用されます。 水素と窒素の反応では、アンモニア分子は 2 ： 3 の比率で水素分子から生成されます。 つまり、 3 つの水素分子が 2 つのアンモニア分子と化学量論的に等価であることを意味します。

これに基づき、次の化学量論的係数が導出されます。

これらの化学量論的係数は、特定の数の水素分子から生成されるアンモニア分子の数、または特定の数のアンモニア分子を生成するために必要な水素分子の数を計算するために使用できます。 化学式のどのような化学物質ペアについても、同様の係数を導き出すことができます。

モルからモルへの変換

窒素と水素からアンモニアを生成するためのバランスのとれた化学反応では、 N₂ と NH₃の化学量論的モル比は1:2 です。 そして、窒素のモル量に、対象となる2つの物質の化学量論的な換算係数を乗じて、アンモニアのモル量を算出します。

質量から質量への変換

化学量論に基づいて大量の物質量を変換するには、モル比とモル質量の知識が必要です。 たとえば、アンモニア 0.170 kg を生成するために必要な水素の質量を見つけるために、まずアンモニアのモル質量を使用してアンモニアの質量をモルのアンモニア量に変換します。 次に、バランスのとれた方程式からの適切な化学量論係数は、アンモニアの量（モル）を水素の量（モル）に変換します。 最後に、水素のモル質量は水素の量（モル）を水素の質量に変換します。

提供されている量や求められている量（体積、溶液濃度など）に応じて、計算の開始ステップと終了ステップにさまざまな変化があります。 いずれにしても、これらの計算には、バランスのとれた化学式から得られる化学量論的な係数を用いるという共通の要素があります。

このテキストは 、 OpenStax Chemistry 2e 、 Section 4.3 ： Reaction Stoichiometry から引用しています。