化学反応では、原子が新しい組み合わせに並び替わることで、反応物が生成物という新しい物質に変わります。反応物、生成物、そして原子の数を見分けられれば、たいていは反応の種類を分類し、反応式の係数を合わせられます。
通常の化学反応式では、原子は新しく作られたり消えたりするのではなく、並び替わるだけです。だからこそ係数合わせが重要です。物質そのものは変わっても、各元素の原子数は式の左右で一致していなければなりません。
化学反応で何が変わるのか
化学反応では、ふつう次のような変化のうち1つ以上が起こります。
- 結合が切れ、新しい結合ができる
- イオンが相手を入れ替える
- 電子が移動する
- エネルギーが吸収または放出される
最初からすべての細かい点を整理する必要はありません。まず役立つのは、反応物と生成物の間で何が変わったのかを考えることです。
化学反応の主な種類
教科書によって反応の分類のしかたは少し異なり、1つの反応が複数の分類に当てはまることもあります。ここでは、初学者向けの主な分類を見ていきます。
化合反応
化合反応では、より単純な物質どうしが結びついて1つの生成物になります。
分解反応
分解反応では、1つの化合物がより単純な物質に分かれます。
単置換反応
単置換反応では、1つの元素が化合物中の別の元素を置き換えます。実際に反応が起こるかどうかは、関わる物質や反応条件によって決まります。
複分解反応
複分解反応では、2つの化合物中のイオンが相手を入れ替えます。多くの沈殿反応や、一部の酸塩基反応はこの形で説明されます。
燃焼反応
燃焼反応では、物質が酸素と反応します。炭化水素が完全燃焼すると、通常の生成物は と です。
酸化還元反応
酸化還元反応とは、電子の移動によって酸化と還元が同時に起こる反応です。多くの金属の置換反応や、多くの燃焼反応も酸化還元反応に含まれます。
この重なりは重要です。反応の種類は便利なラベルであって、完全に分かれた箱ではありません。
例題：燃焼反応の係数を合わせる
まず、係数がまだ合っていない反応式を書きます。
これは、メタンが酸素と反応しているので燃焼反応です。
次に、元素ごとに1つずつ原子数を合わせます。酸素は複数の生成物に含まれているので、後回しにします。
炭素はすでに合っています。左右どちらにも炭素原子が 個あります。
水素は合っていません。左辺には水素原子が 個ありますが、右辺には 個しかありません。そこで、水の前に係数 を付けます。
ここで酸素を数え直します。右辺には に酸素原子が 個、さらに に 個あり、合計 個です。したがって、 の前に係数 を付けます。
最後に原子数を確認します。
- 炭素：左右ともに
- 水素：左右ともに
- 酸素：左右ともに
これで反応式の係数が合いました。
化学反応式の係数を確実に合わせる方法
初学者向けの多くの反応式では、次の手順が有効です。
- まず正しい化学式を書く。
- 左右それぞれで各元素の原子数を数える。
- 変えるのは下付きの数字ではなく係数にする。
- 係数を変えるたびに数え直す。
- 最後に、最も小さい整数比の係数にする。
多くの人が早く省いてしまうのが「数え直し」です。見た目にはほとんど正しく見えても、まだ係数が合っていないことがあります。
反応式の係数合わせでよくある間違い
係数ではなく下付きの数字を変えてしまう
を に変えても、反応式の係数を合わせたことにはなりません。それは水を過酸化水素に変えてしまうことであり、別の物質になっています。
反応の種類を絶対的に考えてしまう
1つの反応が複数の分類に当てはまることがあります。たとえば、燃焼反応は酸化還元反応でもあります。
条件の重要性を忘れる
生成物は、酸素の供給量、温度、溶媒、触媒などの条件によって変わることがあります。たとえば、完全燃焼と不完全燃焼では同じ生成物にはなりません。
係数が合っていれば反応の速さもわかると思ってしまう
係数合わせでわかるのは原子数の比です。反応がどれくらい速く進むかまではわかりません。反応速度は反応速度論や反応条件に依存します。
化学反応はどこに現れるか
化学反応は、さび、電池、消化、工業的な合成、腐食、燃焼、多くの実験室での試験を説明します。また、化学量論、化学平衡、熱化学、電気化学といった後の学習内容の土台にもなります。
似た問題に挑戦してみよう
次の2つの反応式について、反応の種類を分類し、係数を合わせてみましょう。
それぞれについて、まず2つの問いを立ててみてください。どのような変化が起きているか、そして反応式の係数は合っているか。この習慣がつくと、化学反応はずっと読み取りやすくなります。