理系の雑学・豆知識

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化学反応式と物質量

物理変化と化学変化

  食塩を水に溶解したり、水に熱を加えて水蒸気にしたりする変化は、その物質の状態(固体,液体,気体,水溶液など)が異なるだけで、その物質自体は変化していない。食塩NaClは水に溶かしてもNaClだし、水HOは水蒸気にしてもHOである。このような変化を物理変化という。一方、ある化学物質が、別の化学物質に変化することを化学変化といい、その過程を化学反応という。

 

化学反応式

  化学変化を表す式を化学反応式という。例えば、水素と酸素が反応すると水になる。これを化学反応式で表すと次のようになる。

           2H + O → 2H

  化学反応式のなかで、「 → 」の左側(左辺)にある物質は、互いに反応する物質なので反応物、右側(右辺)は反応してできた物質なので、生成物という。また、化学反応が起こると、物質は別のものに変化するが、原子の数は反応前と反応後で変化することはないので、左辺と右辺で原子の数が合うように係数をつける。

 

化学反応式を書く

  例1 「 亜鉛に塩酸を反応させると塩化亜鉛と水素が発生する 」

  ① 反応物の化学式を左辺、生成物の化学式を右辺に書いて、「 → 」で結ぶ。

     (化学式は与えられることもあるが、自分で書けるようにしておく方がよい)

     Zn + HCl → ZnCl2 + H2

 

  ② 左辺と右辺で原子の数が合うように係数をつける。ただし、「1」は省略する。

    (どれを基準にしても構わないが、なるべく複雑な化学式を1とするとよい。ここではZnCl2を1とする)

     Zn + HCl → 1ZnCl2 + H2

    (ZnCl2を1とすると、右辺はZnが1、Clが2になるので、左辺もZnが1、Clが2になるように係数をつける。)

    1Zn + 2HCl → 1ZnCl2 + H2

     (この時点で、左辺がH2に決定しているので、右辺もH2になるように係数をつける)

    1Zn + 2HCl → 1ZnCl2 + 1H2

    (係数1を省略して完成)

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

 

  例2 「 窒素と水素が反応するとアンモニアが発生する 」

 ① 反応物と生成物を「 → 」で結ぶ。

     N2 + H2 → NH3

  ② 係数をつける。

(ここではNH3を1にする)

       N2 + H2 → 1NH3 

(他の物質の係数をつける)

N2 +H2→ 1NH3 

(ポイント:分数は使わないこと ・・・ 全体を2倍すれば分数はなくなる。) 

     1N2 + 3 H2 → 2NH3 

     (係数1を省略して完成)

     N2 + 3 H2 → 2NH3 

 

  例3「 メタンを完全燃焼させる 」  

  ① 生成物が書いてないので自分で考える。

(ポイント:燃焼または酸化というときは酸素O2と反応させる)

(ポイント:CとH、または、CとHとOだけでてきているものを酸化すると二酸化炭素CO2と水H2Oができる)

    CH4 + O2 → CO2 + H2O

  ② 係数をつける。

     (例1,2と同様につけられる)

     CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

 例4「銀イオンを含む水溶液に銅を加えると銀と銅(Ⅱ)イオンが生じる。」   

イオンを含む化学反応式をイオン反応式という。つくり方はこれまでと同じ。この場合、右辺と左辺で、原子の数だけでなく、電荷の総和も等しくする。

① 反応物と生成物を「 → 」で結ぶ。

Ag+ + Cu → Ag + Cu2+

② 電荷の総和が等しくなるように係数をつける。 

 (先に+,-を合わせる。この場合、右辺が2+,左辺は1+なので、1+の方を倍にすると合う)

Ag+ + Cu → Ag + 1Cu2+

③ 原子の数が合うように係数をつける。

     (すでに係数がついているところがあるので、ついていないところで合わせる)

2Ag+ + Cu → Ag + 1Cu2+

     (係数1を省略して完成)

2Ag+ + Cu → 2Ag + Cu2+



問題 次の化学変化を化学反応式で表せ。

    (1)エタノール(CO)を完全燃焼させる。 

(2)アルミニウムに塩酸を反応させると、塩化アルミニウムと水素が生成する。

   

問題 次の化学式の係数を入れよ。ただし、1も場合は「1」と記せ。

  ( )Cu+( )HNO3 →( )Cu(NO3)2+( )NO+( )H2O 

これは、目算(これまでの方法)では係数はつけられない。このように複雑な係数の場合は以下に示す「未定係数法」によって求めることができる。

   まず、次のように係数を置く。

aCu + bHNO3 → cCu(NO3)+ dNO + eH2O 

    右辺と左辺の原子が等しくなるように、次のように方程式をたてる。

    Cuに関して a = c ・・・①

      H に関して b = 2e ・・・ ②

      N に関して b = 2c + d ・・・ ③

      O に関して 3b = 6c + d + e ・・・ ④

   ①~④を連立させる。未知数が5に対して、方程式は4つしかないので、a~eのどれかを1にする。

   (なるべく多く使われるものを1にするとよい。この場合は、b = 1 として連立させるとよい)

     ②、b=1より、e = 1/2

     ③、b=1より、1 = 2c + d ・・・ ③’

     ④、b=1、e=1/2より、 5/2 = 6c + d ・・・ ④’

     ④’‐③’より、 c = 3/8

     ①、c=3/8より、 a = 3/8

     ③’、c=3/8より、 d = 1/4

  反応式の係数に分数は使えないので、a~eを8倍すると、全部整数になる、つまり、

  a=3、 b=8、 c=3、 d=2、 e=4

 



化学反応式と量的関係

ポイント : 反応式の係数(の比) = 物質量(モル数)(の比)

  例)  N + 3H → 2NH

  本来の意味は「N1分子(個)とH3分子(個)が反応してNH2分子(個)が生成する」であり、係数は個数を意味している。また、1molは6.0×1023個という個数の単位なので、係数の比は物質量(モル数)の比となる。

  つまり、「N1molとH2 3molが反応してNH 1molが生成する」と言い換えることができる。