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まず、原則として覚えていてほしいのが、化学反応が「完全に」起こったときは以下のことが成り立つということです。
係数比=分子数の比(※) ・気体の体積比
ただし、質量比≠係数比
(※ 厳密には金属などの分子からできていない物質も反応式に出てくるので構成粒子数の比。)
以降、とりあえず基本的なことの説明をしますが、わかるのであればとばしてくれてけっこうです。
これだけでは分かりにくいと思うので2H2+O2→2H2Oを例に説明します。まず、前提として水素分子H2の前についている2と、酸素分子O2の前に省略されている1と、水分子H2Oの前にある2が係数です。(写真に載せたのが正しい反応式の書き方ですが、スマホでは小さい文字は打てないのでこれで許してください。)
この反応式の意味は、水素と酸素が完全に反応したのであれば、水素分子と酸素分子がそれぞれ2:1の個数比で反応してなくなる代わりに、水分子が2だけできるという反応です。詳しいことは高校で習いますが、これは気体の場合のみ体積比とも一致します。あくまで、「完全に」反応した場合の個数「比」なので実際にはだいたい6.0×10^23個くらいの水素分子と3.0×10^23個くらいの酸素分子が結び付いて6.0×10^23個くらいの水分子ができています。これを簡単に考えるために問題文では50個とかになっています。
そしてもうひとつの重要なことが、係数比と質量比は一致しないということです。例えばよく出てくる例に、2Cu+O2→2CuOがありますが、銅4.0gだからといって、2:1で酸素2.0gとは反応しません。実際に質量比は4:1です。これは高校に入れば原子量という値から求められますが、中学校の理科では実験からしか求められません。なぜ係数比とイコールにならないかというと、銅原子の1個の質量と酸素原子の1個の質量は違っているからです。
ここらへんの話は難しくて、高校では物質量(mol)というのを使って考えます。(簡単に言うと、原子っていうむちゃくちゃ軽くて小さいものは扱いにくい。じゃあ、たくさん(6.0×10^23個くらい)集めてきて、それを1つの塊として考えたらいいんじゃないかという考え方です)
ごめんなさい、長くなりました。一回切って次に解説します。
細かい解説をくださりありがとうございます。よく分かりました。ありがとうございます。
(1)(2)では不完全な反応が起こります。すなわち、多すぎるものが残ります。
(1) 水素分子120個と酸素分子50個では、個数比が2:1になっていないので完全には反応できません。酸素分子50個に対して、完全に反応できる水素分子の量は、化学反応式の係数から1:2で100個です。逆にいえば、水素分子が120個あったところで、酸素分子は50個しかなく、120個に対して2:1が成り立つ60個もないので、酸素分子が足らなくなります。もっと丁寧に言えば、少ない方にあたる酸素分子を基準にして、その2倍だけ(1:2なので)水素分子は反応できます。50個の2倍100個までしか無理なので120-100=20個余ります。
よって、酸素分子50個と水素分子100個が反応した結果、20個水素分子は余り、水が50個できるという反応になります。
(2) 反応式の係数より、Cu原子と酸素分子は2:1の割合で反応するので、100個のCu分子と反応できる酸素分子は50個までです。逆に、酸素分子は100個あっても、それと反応できるだけの銅原子200個はないので銅原子が足らなくなります。よって、50個の酸素分子が残ります。
(3)酸素分子15個に対して、その2倍の30個まではマグネシウム原子が反応できます。よって40-30=10個余ります。
※この問題でよくあるパターンとして、以下のようなものがあります。
酸化銀を試験管に入れて加熱すると、酸化銀が熱分解して酸素と銀が生じる。この化学反応式は以下のように表される。
2Ag2O→4Ag+O2
このとき、銀原子20個を含む酸化銀からは( )個の酸素分子が発生する。
この問題の答えは、まずAg2Oは酸素原子と銀原子が2:1で結び付いた構造をしていることがわかるので、銀原子が20個含まれているということは酸素原子は10個含まれていることがわかります。しかし、これはあくまで酸素原子の個数であり酸素分子の個数ではないので、酸素原子が2個結び付いて初めて酸素分子になることから10個の酸素原子を2個セットにして5セットできることから5個が答えです。聞かれているのが、原子なのか分子なのかを見極めることも大切です。