化学反応式（係数・作り方・書き方・計算問題の解き方など）

はじめに

【プロ講師解説】このページでは『化学反応式（係数・作り方・書き方・計算問題の解き方など）』について解説しています。

原子・分子とは

• 化学反応式について説明する前に、原子・分子について少し復習する。

原子＝小さなツブ

• 物質の最小構成単位で小さくて丸いツブを原子という。

• この図は左から、水素原子・酸素原子・塩素原子を表している。すべての物質はこのような丸いツブからできている。

参考：【原子の構造】陽子・中性子・電子・原子核・質量数・原子番号の数と関係

分子＝いくつかの原子がくっついたもの

• 複数の原子が結合してできた粒子を分子という。
• 例えば、水素”分子”は2つの水素”原子”が繋がることによって形成されている。

化学反応とは

化学反応＝結合ペアの変化

• 分子内の結合が切れて新たな結合ができ、別の物質に変わることを化学反応という。

• この例では、水素同士、塩素同士の結合が切れて、水素と塩素で新たに結合をつくっている。つまり「結合のペア」が変化したわけである。
• ここで1つ、とても重要なルールを紹介する。

化学反応の前後で、原子の数は変わらない

• 化学反応が起こるとき、反応の前後で原子の数は変わらない。

• 先ほど挙げた例でも、左側と右側の水素原子・塩素原子の数はそれぞれ等しくなっている。

化学反応式とは

• 化学反応を化学式を用いて表した式を化学反応式という。
• 例えば、水素と塩素の反応だと次のようになる。

\[ \mathrm{H_{2} + Cl_{2} → 2HCl} \]

• これは、先ほどの図（↓）を水素分子・塩素分子・塩化水素それぞれの分子式（化学式）、H₂・Cl₂・HClを使って表現したものとなっている。

• また、左に水素H原子が2個、塩素Cl原子が2個あるため、HClが「2個」できていることにも注目しよう。分子が2個あるというのを表すためには、分子の前に係数「2」を付ける。

化学反応式の係数決定

• 先ほど書いた「化学反応のルール」をもう一度確認する。

化学反応の前後で、原子の数は変わらない

• これから先はこのルールを念頭におき、みていこう。それでは、具体的な例を用いて解説する。

• 係数決定は、次のステップにしたがって進める。

特殊な方法「未定係数法」

• 複雑な反応式の係数を求めるときには未定係数法という特殊な方法を用いることが多い。
• 未定係数法について詳しくは次のページを参照のこと。

参考：【未定係数法】化学反応式の係数を決定する裏技のやり方を大公開！

化学反応式と単位計算

• ここからは、化学反応式を使った計算問題の解き方について解説する。
• まずはじめに、化学反応式について1つ押さえておくべきことがある。

係数比＝モル比

• 化学反応式における係数の比はモル比を表している。
• 例として、次の化学反応式をみてみよう。

\[ \mathrm{N_{2} + 3H_{2} → 2NH_{3}} \]

• 反応式中の係数に注目する。窒素分子（N₂）・水素分子（H₂）・アンモニア（NH₃）の係数はそれぞれ、1・3・2となっている。
• この場合、係数から1molのN₂と3molのH₂が反応して2molのNH₃ができるということがわかる。

• また「係数比＝mol比」と考えて単位計算をすることで、自分がそのとき必要な単位を求めることもできる。

化学反応式を使った反応量計算

• 化学反応は「過不足（何かの物質が多かったり、逆に少なかったり）が生じない反応」と「過不足が生じる反応」に分けることができる。

過不足が生じない問題

• この問題を解く上で、次の表をテンプレートとして用いる。

• （基）は基本となる物質の量を、（今）は今回の問題に書かれている量を示す。

（１）

• （基）のところには、（「係数比＝モル比」であることを考慮すると、1molのC₃H₈から3molのCO₂ができるとわかるので、）C₃H₈の下に1mol、CO₂の下に3molと書き込む。
• 次に、今回は2molのC₃H₈が反応しているので、（今）のところにそれを書き込む。また、CO₂が何mol出てくるかを求めたいため、そこはxとおいておく。
• あとは、比を利用することで簡単に答えを求めることができる。

\[ \begin{align}
&\mathrm{1:3 = 2:x}\\
&\mathrm{↔ x=6}
\end{align} \]

• よって、答えは6.0molである。

（２）

• （基）の所に書いてある6.0×10²³個とは、アボガドロ定数に（C₃H₈の係数が1のため）1molをかけたものである。

\[ \mathrm{6.0×10^{23}(個/mol) × 1(mol) = 6.0×10^{23}(個)} \]

• 縦の列で（つまり同じ物質で）単位が揃っていれば、横で単位が違っても（１）と同じように比を使って解くことができる。

\[ \begin{align}
&\mathrm{6.0×10^{23}:4 = 3.0×10^{23}:x}\\
&\mathrm{↔ x=2}
\end{align}\]

• よって、答えは2.0molである。

（３）

• 4×18gというのは、H₂Oの物質量である18g/molに（H₂Oの係数が4のため）4molをかけたものである。したがって、次のような式をつくることができる。

\[ \mathrm{4(mol)×18(g/mol)=4×18(g)} \]

• 後は比を用いて解く。

\[ \begin{align}&\mathrm{1:4×18 = 3:x}\\
&\mathrm{↔ x=216}\end{align} \]

• よって、答えは216gである。

（４）

• 3×22.4[L]というのは、標準状態での気体の1molあたりの体積である22.4[L/mol]に（CO₂の係数が3のため）3molをかけたものである。したがって、次のような式をつくることができる。

\[ \mathrm{3(mol)×22.4(L/mol)= 3×22.4(L)} \]

• 後は比を用いて解く。

\[ \begin{align}&\mathrm{1:3×22.4 = 2:x}\\
&\mathrm{↔ x=134.4(L)}\end{align} \]

• よって、答えは134.4Lである。

（５）

• 6.0×10²³個というのは、アボガドロ定数に（C₃H₈の係数が1のため）1molをかけたものである。

\[ \mathrm{6.0×10^{23}(個/mol) × 1(mol) = 6.0×10^{23}(個)} \]

• 3×22.4Lというのは、標準状態での気体の1molあたりの体積である22.4L/molに（CO₂の係数が3のため）3molをかけたものである。

\[ \mathrm{3(mol)×22.4(L/mol)= 3×22.4(L)} \]

• 後は比を用いて解く。

\[ \begin{align}&\mathrm{6.0×10^{23}:3×22.4 = 3.0×10^{23}:x}\\
&\mathrm{↔ x=33.6}\end{align} \]

• よって、答えは33.6Lである。

過不足が生じる問題

• 過不足ありの場合はこのテンプレートを使う。
• （前）は反応前の量、（反）は反応した量、（後）は反応後の量を表している。
• 今回は、1molのN₂と、4molのH₂を反応させたため、それを（前）のところに書き込む。また、反応前のためNH₃はまだ0molである。

• ここでポイントとなるのが「余る物質を予想すること」である。この予想はハズレても後でわかるので問題ない（予想が外れたときの例と判別法は後に記載）。余る物質を予想したら、余らないと思う物質が反応後「0」になるように引き算をする。
• 今回の例では、化学反応式より、N₂とH₂は1:3で反応する。したがって、今N₂が1[mol]、H₂が4[mol]あるため、余るのはH₂だと考えられる。つまり、余らないのはN₂であり、N₂が反応後「0」になるように引き算する。

• 次に、N₂とH₂の係数に注目する。N₂が1mol反応するときH₂はその3倍の3mol反応する。

\[ \mathrm{N_{2}:H_{2}=1:3} \]

• よって、下図のようになる。

• 次に、N₂とNH₃の係数に注目する。N₂が1mol反応するとき、NH₃はその2倍の2mol生成する。

\[ \mathrm{N_{2}:H_{2}=1:3} \]

• よって、次のようになる。

• この表から、「NH₃が2molできて、1molのH₂が余る」ことがわかる。