第4章化学反応の量的関係

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

When reactions are carried out using less-than-stoichiometric quantities of reactants, the amount of product generated will be determined by the limiting reactant. The amount of product generated by a chemical reaction is its actual yield. This yield is often less than the amount of product predicted by the stoichiometry of the balanced chemical equation representing the reaction (its theoretical yield). The extent to which a reaction generates the theoretical amount of product is expressed as its percent yield.

英語のヒント

化学量論的に必要な量より少ない反応物を使って反応させると、生成物の量は限定反応物によって決まる。化学反応で実際に生じた生成物の量が実収量である。実収量は、その反応を表す、係数のつり合った反応式の化学量論から予測される生成物の量（理論収量）より少ないことがよくある。理論上の生成物の量がどの程度得られるかは、百分率収率で表す。

Key Equations重要な式

percent yield = (\frac{actual yield}{theoretical yield}) \times 100

百分率収率 = (\frac{実収量}{理論収量}) \times 100

Chemistry End of Chapter Exercises化学・章末問題

Exercises 60–77練習問題 60–77

Exercise 60問題 60

The following quantities are placed in a container: 1.5

\times

10²⁴ atoms of hydrogen, 1.0 mol of sulfur, and 88.0 g of diatomic oxygen.

容器に、水素原子1.5

\times

10²⁴個、硫黄1.0 mol、二原子分子の酸素88.0 gを入れる。

(a) What is the total mass in grams for the collection of all three elements?

(a) 三種類の元素を合わせた総質量は何gか。

(b) What is the total number of moles of atoms for the three elements?

(b) 三種類の元素の原子の物質量は、合計何molか。

(c) If the mixture of the three elements formed a compound with molecules that contain two hydrogen atoms, one sulfur atom, and four oxygen atoms, which substance is consumed first?

(d) How many atoms of each remaining element would remain unreacted in the change described in (c)?

(d) (c)の変化で、残る各元素の原子はいくつずつ未反応で残るか。

Exercise 61問題 61

What is the limiting reactant in a reaction that produces sodium chloride from 8 g of sodium and 8 g of diatomic chlorine?

ナトリウム8 gと二原子分子の塩素8 gから塩化ナトリウムをつくる反応では、限定反応物は何か。

Solution解き方

The limiting reactant is Cl2.

限定反応物はCl2である。

Exercise 62問題 62

Which of the postulates of Dalton's atomic theory explains why we can calculate a theoretical yield for a chemical reaction?

化学反応の理論収量を計算できる理由を説明するのは、ドルトンの原子説のどの仮定か。

Exercise 63問題 63

A student isolated 25 g of a compound following a procedure that would theoretically yield 81 g. What was his percent yield?

ある学生が、理論上81 gの収量が得られる手順に従って、化合物を25 g単離した。百分率収率はいくらであったか。

Solution解き方

Percent yield = 31%

百分率収率 = 31%

Exercise 64問題 64

A sample of 0.53 g of carbon dioxide was obtained by heating 1.31 g of calcium carbonate. What is the percent yield for this reaction?

炭酸カルシウム1.31 gを加熱して、二酸化炭素0.53 gを得た。この反応の百分率収率はいくらか。

{CaCO}_{3} (s) ⟶ CaO (s) + {CO}_{2} (s)

{CaCO}_{3} (s) ⟶ CaO (s) + {CO}_{2} (s)

Exercise 65問題 65

Freon-12, CCl₂F₂, is prepared from CCl₄ by reaction with HF. The other product of this reaction is HCl. Outline the steps needed to determine the percent yield of a reaction that produces 12.5 g of CCl₂F₂ from 32.9 g of CCl₄. Freon-12 has been banned and is no longer used as a refrigerant because it catalyzes the decomposition of ozone and has a very long lifetime in the atmosphere. Determine the percent yield.

英語のヒント

フロン12、CCl₂F₂は、CCl₄をHFと反応させて調製する。もう一つの生成物はHClである。CCl₄ 32.9 gからCCl₂F₂ 12.5 gをつくる反応について、百分率収率を求めるために必要な手順の概要を示しなさい。フロン12はオゾンの分解を触媒し、大気中の寿命が非常に長いため、禁止され、冷媒としては使われなくなっている。百分率収率を求めなさい。

Solution解き方

g {CCl}_{4} ⟶ mol {CCl}_{4} ⟶ mol {CCl}_{2} F_{2} ⟶ g {CCl}_{2} F_{2},

percent yield = 48.3%

g {CCl}_{4} ⟶ mol {CCl}_{4} ⟶ mol {CCl}_{2} F_{2} ⟶ g {CCl}_{2} F_{2},

百分率収率 = 48.3%

Exercise 66問題 66

Citric acid, C₆H₈O₇, a component of jams, jellies, and fruity soft drinks, is prepared industrially via fermentation of sucrose by the mold Aspergillus niger. The equation representing this reaction is

C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O + 3 O_{2} ⟶ 2 C_{6} H_{8} O_{7} + 4 H_{2} O

英語のヒント

ジャム、ゼリー、果汁風味の清涼飲料水の成分であるクエン酸C₆H₈O₇は、工業的には、クロコウジカビAspergillus nigerによってスクロースを発酵させて調製する。この反応を表す式は

C_{12} H_{22} O_{11} + H_{2} O + 3 O_{2} ⟶ 2 C_{6} H_{8} O_{7} + 4 H_{2} O

である。

What mass of citric acid is produced from exactly 1 metric ton (1.000

\times

10³ kg) of sucrose if the yield is 92.30%?

収率が92.30%なら、ちょうど1メートルトン（1.000

\times

10³ kg）のスクロースからクエン酸は何g生じるか。

Exercise 67問題 67

Toluene, C₆H₅CH₃, is oxidized by air under carefully controlled conditions to benzoic acid, C₆H₅CO₂H, which is used to prepare the food preservative sodium benzoate, C₆H₅CO₂Na. What is the percent yield of a reaction that converts 1.000 kg of toluene to 1.21 kg of benzoic acid?

トルエンC₆H₅CH₃は、注意深く制御した条件で空気により酸化され、安息香酸C₆H₅CO₂Hになる。これは、食品保存料の安息香酸ナトリウムC₆H₅CO₂Naの製造に使われる。トルエン1.000 kgを安息香酸1.21 kgに変える反応の百分率収率はいくらか。

2 C_{6} H_{5} {CH}_{3} + 3 O_{2} ⟶ 2 C_{6} H_{5} {CO}_{2} H + 2 H_{2} O

2 C_{6} H_{5} {CH}_{3} + 3 O_{2} ⟶ 2 C_{6} H_{5} {CO}_{2} H + 2 H_{2} O

Solution解き方

percent yield = 91.3%

百分率収率 = 91.3%

Exercise 68問題 68

In a laboratory experiment, the reaction of 3.0 mol of H₂ with 2.0 mol of I₂ produced 1.0 mol of HI. Determine the theoretical yield in grams and the percent yield for this reaction.

実験室の実験で、H₂ 3.0 molとI₂ 2.0 molを反応させ、HIを1.0 mol得た。この反応の理論収量をgで求め、百分率収率も求めなさい。

Exercise 69問題 69

Outline the steps needed to solve the following problem, then do the calculations. Ether, (C₂H₅)₂O, which was originally used as an anesthetic but has been replaced by safer and more effective medications, is prepared by the reaction of ethanol with sulfuric acid.

次の問題を解くのに必要な手順の概要を示し、その後で計算しなさい。エーテル(C₂H₅)₂Oは、かつて麻酔薬として使われたが、現在はより安全で効果的な薬に置き換えられている。エタノールと硫酸との反応で調製できる。

2C₂H₅OH + H₂SO₄ ⟶ (C₂H₅)₂O + H₂SO₄·H₂O

What is the percent yield of ether if 1.17 L (d = 0.7134 g/mL) is isolated from the reaction of 1.500 L of C₂H₅OH
(d = 0.7894 g/mL)?

C₂H₅OH 1.500 L（d = 0.7894 g/mL）の反応から、エーテル1.17 L（d = 0.7134 g/mL）が単離された場合、エーテルの百分率収率はいくらか。

Solution解き方

Convert mass of ethanol to moles of ethanol; relate the moles of ethanol to the moles of ether produced using the stoichiometry of the balanced equation. Convert moles of ether to grams; divide the actual grams of ether (determined through the density) by the theoretical mass to determine the percent yield; 87.6%

エタノールの質量を物質量に換算する。つり合った反応式の化学量論を使って、エタノールの物質量を、できるエーテルの物質量に関係づける。エーテルの物質量をgに換算し、実際のエーテルの質量（密度から求める）を理論質量で割って、百分率収率を求める。87.6%。

Exercise 70問題 70

Outline the steps needed to determine the limiting reactant when 30.0 g of propane, C₃H₈, is burned with 75.0 g of oxygen.

プロパンC₃H₈ 30.0 gを酸素75.0 gと燃焼させるとき、限定反応物を求めるために必要な手順の概要を示しなさい。

Determine the limiting reactant.

限定反応物を求めなさい。

Exercise 71問題 71

Outline the steps needed to determine the limiting reactant when 0.50 mol of Cr and 0.75 mol of H₃PO₄ react according to the following chemical equation.

2 Cr + 2 H_{3} {PO}_{4} ⟶ 2 {CrPO}_{4} + 3 H_{2}

Cr 0.50 molとH₃PO₄ 0.75 molが次の化学反応式に従って反応するとき、限定反応物を求めるために必要な手順の概要を示しなさい。

2 Cr + 2 H_{3} {PO}_{4} ⟶ 2 {CrPO}_{4} + 3 H_{2}

Determine the limiting reactant.

限定反応物を求めなさい。

Solution解き方

The conversion needed is

mol Cr ⟶ mol H_{3} {PO}_{4} .

Then compare the amount of Cr to the amount of acid present. Cr is the limiting reactant.

必要な換算は

mol Cr ⟶ mol H_{3} {PO}_{4} .

である。次に、Crの量を存在する酸の量と比較する。Crが限定反応物である。

Exercise 72問題 72

What is the limiting reactant when 1.50 g of lithium and 1.50 g of nitrogen combine to form lithium nitride, a component of advanced batteries, according to the following unbalanced equation?

Li + N_{2} ⟶ {Li}_{3} N

リチウム1.50 gと窒素1.50 gが、次の未調整の反応式に従って結合し、先端的な電池の構成材料である窒化リチウムをつくるとき、限定反応物は何か。

Li + N_{2} ⟶ {Li}_{3} N

Exercise 73問題 73

Uranium can be isolated from its ores by dissolving it as UO₂(NO₃)₂, then separating it as solid UO₂(C₂O₄)·3H₂O. Addition of 0.4031 g of sodium oxalate, Na₂C₂O₄, to a solution containing 1.481 g of uranyl nitrate, UO₂(NO₃)₂, yields 1.073 g of solid UO₂(C₂O₄)·3H₂O.

ウランは、鉱石からUO₂(NO₃)₂として溶かし、次いで固体のUO₂(C₂O₄)·3H₂Oとして分離することで単離できる。硝酸ウラニルUO₂(NO₃)₂ 1.481 gを含む溶液に、シュウ酸ナトリウムNa₂C₂O₄ 0.4031 gを加えると、固体のUO₂(C₂O₄)·3H₂Oが1.073 g得られる。

Na₂C₂O₄ + UO₂(NO₃)₂ + 3H₂O ⟶ UO₂(C₂O₄)·3H₂O + 2NaNO₃

Determine the limiting reactant and the percent yield of this reaction.

この反応の限定反応物と百分率収率を求めなさい。

Solution解き方

Na₂C₂O₄ is the limiting reactant. percent yield = 86.56%

Na₂C₂O₄が限定反応物である。百分率収率 = 86.56%。

Exercise 74問題 74

How many molecules of C₂H₄Cl₂ can be prepared from 15 C₂H₄ molecules and 8 Cl₂ molecules?

C₂H₄分子15個とCl₂分子8個から、C₂H₄Cl₂分子をいくつつくれるか。

Exercise 75問題 75

How many molecules of the sweetener saccharin can be prepared from 30 C atoms, 25 H atoms, 12 O atoms, 8 S atoms, and 14 N atoms?

C原子30個、H原子25個、O原子12個、S原子8個、N原子14個から、甘味料サッカリンの分子をいくつつくれるか。

構造式の図。C原子六つからなる六角環には二重結合が交互にあり、左側の連続する四つのCそれぞれにHが一つ結合しています。右側の二つのCは互いに二重結合で結ばれ、右にある五原子環の一部にもなっています。この二つのCのうち上側のものは、五原子環の上のCに単結合しています。そのCの上にはOが二重結合し、右下にはNが単結合しています。Nの右にはHが結合し、左下にはSが結合しています。Sは、二つの環で共有するもう一方のCにつながっています。またSは、右下のOおよび真下の別のOと、それぞれ二重結合しています。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Solution解き方

Only four molecules can be made.

分子は四つしかつくれない。

Exercise 76問題 76

The phosphorus pentoxide used to produce phosphoric acid for cola soft drinks is prepared by burning phosphorus in oxygen.

コーラ飲料用のリン酸の製造に使う五酸化リンは、酸素中でリンを燃焼させて調製する。

(a) What is the limiting reactant when 0.200 mol of P₄ and 0.200 mol of O₂ react according to

P_{4} + 5 O_{2} ⟶ P_{4} O_{10}

(a) P₄ 0.200 molとO₂ 0.200 molが

P_{4} + 5 O_{2} ⟶ P_{4} O_{10}

に従って反応するとき、限定反応物は何か。

(b) Calculate the percent yield if 10.0 g of P₄O₁₀ is isolated from the reaction.

(b) この反応からP₄O₁₀ 10.0 gを単離できた場合の百分率収率を計算しなさい。

Exercise 77問題 77

Would you agree to buy 1 trillion (1,000,000,000,000) gold atoms for $5? Explain why or why not. Find the current price of gold at http://money.cnn.com/data/commodities/

(1 troy ounce = 31.1 g)

金原子1兆個（1,000,000,000,000個）を5ドルで買うことに同意するか。その理由を説明しなさい。現在の金価格はhttp://money.cnn.com/data/commodities/で調べなさい。

(1トロイオンス = 31.1 g)

Solution解き方

This amount cannot be weighted by ordinary balances and is worthless.

この量は普通の天秤では量れず、価値がない。

actual yield

実収量

amount of product formed in a reaction

反応で生じた生成物の量。

excess reactant

過剰反応物

reactant present in an amount greater than required by the reaction stoichiometry

反応の化学量論が要求する量より多く存在する反応物。

limiting reactant

限定反応物

reactant present in an amount lower than required by the reaction stoichiometry, thus limiting the amount of product generated

反応の化学量論が要求する量より少なく存在し、そのため生成物の量を制限する反応物。

percent yield

百分率収率

measure of the efficiency of a reaction, expressed as a percentage of the theoretical yield

反応の効率を表す尺度。理論収量に対する百分率で表す。

theoretical yield

理論収量

amount of product that may be produced from a given amount of reactant(s) according to the reaction stoichiometry

反応の化学量論に従って、与えられた量の反応物から生成できる生成物の量。