化学量論；化学量論的

化学量論は、化学反応における物質の量的な比率を説明し、質量保存の法則および化学結合の組成の恒常性に基づいています。化学量論的比率とは、すべての反応物質が反応式で規定された物質量の比率で正確に存在する場合を指します。この場合、過剰な反応生成物が残ったり、不要な副生成物が発生したりすることはありません。その基礎となるのは、反応式が均衡しており、反応物側と生成物側で各元素の原子数が同じであることです。物質量 n（単位：モル）は、粒子数を質量や体積などの測定可能な量と結びつけるため、非常に重要です。

物質については、m = n · M が当てはまります。ここで、m は質量（グラム）、n は物質量（モル）、M はモル質量（グラム/モル）です。気体については、モル体積 V_m がよく使用されます。標準条件では、おおよそ次の式が当てはまります。 

V = n · V_m

化学量論的計算により、与えられた反応物の質量から、必要な第二の反応物の質量と理論上の生成物の収量を決定することができます。プロセス工学では、化学量論的比率は、プロセスの設計、安全性、エネルギー効率にとって重要です。工業規模では、これらは原材料の利用率、排出量、排気ガスおよび廃水処理の必要性に影響を与えます。 例として、メタンの完全燃焼について考えてみましょう。

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

CH₄（メタン）は 1 つの C 原子と 4 つの H 原子、O₂（酸素分子）は 2 つの O 原子、CO₂（二酸化炭素）は 1 つの C 原子と 2 つの O 原子、H₂O（水）は 2 つの H 原子と 1 つの O 原子を含んでいます。係数 1 : 2 : 1 : 2 は、化学量論的な物質量の比率を示しています。反応物側と生成物側には、それぞれ1個の炭素原子、4個の水素原子、4個の酸素原子が存在します。n(CH₄)モルのメタンと2・n(CH₄)モルの酸素が正確に存在する場合、この混合物は化学量論的に混合されています。モル質量から、以下の式が得られます。

M(CH₄) ≈ 16 g/mol; M(O₂) ≈ 32 g/mol

そこから、化学量論的質量比が導き出されます。16 g のメタンが 64 g の酸素と反応します。つまり、メタンと酸素の質量比は 1 : 4 となります。 

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