３　化学反応と物質量ｈ

【化学変化と化学反応式】

物質が別の物質に変わる変化を化学変化または化学反応という。また，化学変化を表した式を化学反応式という。

例）「一酸化炭素COが酸素O₂と反応して二酸化炭素CO₂が生成する。

　　　　 2CO　＋　O₂　→　 2CO₂　（→の前後でCの数とOの数が合うように係数がついている）

例題　次の化学反応式に係数をつけて，反応式を完成させよ。

(1)　　H₂　　＋　　O₂　　→　　H₂O

(2)　　Na　　＋　　Cl₂　　→　　NaCl

(3)　　Zn　　＋　　HCl　　→　　ZnCl₂　　＋　　H₂

(4)　　Al　　＋　　O₂　　→　　Al₂O₃

(1)　　2H₂　　＋　　O₂　　→　　2H₂O　　(2)　　2Na　　＋　　Cl₂　　→　　2NaCl

(3)　　Zn　　＋　　2HCl　　→　　ZnCl₂　　＋　　H₂　　(4)　　4Al　　＋　　3O₂　　→　　2Al₂O₃

演習問題　次の (1) 〜 (6) の化学変化を化学反応式で示せ。

(1)　黒鉛Cが不完全燃焼して，一酸化炭素COが生じる。

(2)　窒素N₂と水素H₂からアンモニアNH₃が生じる。

(3)　アルミニウムAlを空気中で加熱すると，酸化アルミニウムAl₂O₃が生じる。

(4)　マグネシウムMgを塩酸HClに加えると，塩化マグネシウムMgCl₂と水素H₂が生じる。

(5)　過酸化水素H₂O₂に酸化マンガン(�W)を触媒として加え分解すると，水H₂Oと酸素O₂を生じる。

(6)　エタンC₂H₆の燃焼。

(1)　C　＋　O₂　→　CO　　(2)　N₂　＋　３H₂　→　2NH₃　　(3)　4Al　＋　3O₂　→　2Al₂O₃

(4)　Mg　＋　2HCl　→　MgCl₂　＋　H₂　　(5)　2H₂O₂　→　2H₂O　＋　O₂　　

(6)　2C₂H₆　＋　7O₂　→　4CO₂　＋　6H₂O

「〜を燃焼する」，「〜を酸化する」，「〜を空気中で加熱する」といった場合は，「〜」をO₂と反応させる。このとき，反応物にC，Hがある場合，それぞれCO₂，H₂Oになる。「触媒として…を加える」，「分解する」，「加熱する」といった言葉は，反応式を書く上では無視してよい。

【イオン反応式】

　イオンを含んだ化学反応式をイオン反応式という。作り方は通常の化学反応式と同じであるが，「→」の左右で＋，−の和が合うように係数をつける。

例） Ag^＋　＋　Cu　→　Ag　＋　Cu^2＋ の係数を付ける

　先に＋，−を合せる　

〔　2　〕Ag^＋　＋　〔　　　〕Cu　→　〔　　　〕Ag　＋　〔　1　〕Cu^2＋

　　　（左辺＋，右辺2＋なので，左右とも2＋になるようにつける）　　

　次に原子の数を合せる

〔　2　〕Ag^＋　＋　〔　1　〕Cu　→　〔　2　〕Ag　＋　〔　1　〕Cu^2＋

　　　（Ag^＋1つ，Cu^2＋1つは，それぞれAg1つ，Cu１つと考える）

例題　次の化学反応式の係数を記せ。係数が1の場合は，1を記入せよ。

(1)　〔　　　〕Fe^3＋　＋　〔　　　〕OH⁻　→　〔　　　〕Fe(OH)₃

(2)　〔　　〕Pb^2＋　＋　〔　　〕Cl⁻　→　〔　　〕PbCl₂

(3)　〔　　〕Fe　＋　〔　　〕Cu^2＋　→　〔　　〕Fe^3＋　＋　〔　　〕Cu

(4)　〔　　〕Ag^＋　＋　〔　　〕OH⁻　→　〔　　〕Ag₂O　＋　〔　　〕H₂O

(1)　〔　1　〕Fe^3＋　＋　〔　3　〕OH⁻　→　〔　1　〕Fe(OH)₃

(2)　〔　1　〕Pb^2＋　＋　〔　2　〕Cl⁻　→　〔　1　〕PbCl₂

(3)　〔　2　〕Fe　＋　〔　3　〕Cu^2＋　→　〔　2　〕Fe^3＋　＋　〔　3　〕Cu

(4)　〔　2　〕Ag^＋　＋　〔　2　〕OH⁻　→　〔　1　〕Ag₂O　＋　〔　1　〕H₂O

例題　塩化アルミニウムAlCl₃水溶液に水酸化ナトリウムNaOH水溶液を加えると，水酸化アルミニウムの白色沈殿が生成する。この変化をイオン反応式で表せ。

　　　Al^3＋　＋　3OH⁻　→　Al(OH)₃

【未定係数法】

例）次の化学反応式の係数を記せ。

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

　上の例の係数は，これまでの方法（目算法という）ではつけにくい。一般的には目算法で係数をつけるが，複雑な反応式の場合，次の未定係数法によって係数を付けていく。

演習問題

次の化学反応式の係数を記せ。係数が1の場合は，1を記入せよ。

(1)〔  〕Cu ＋〔  〕HNO₃ →〔  〕Cu(NO₃)₂ ＋〔  〕H₂O ＋〔  〕NO₂

(2)〔  〕Cu ＋〔  〕H₂SO₄ →〔  〕CuSO₄ ＋〔  〕H₂O ＋〔  〕SO₂

(1)〔 1 〕Cu ＋〔 4 〕HNO₃ →〔 1 〕Cu(NO₃)₂ ＋〔 2 〕H₂O ＋〔 2 〕NO₂

(2)〔 1 〕Cu ＋〔 2 〕H₂SO₄ →〔 1 〕CuSO₄ ＋〔 2 〕H₂O ＋〔 1 〕SO₂

【反応式の量的関係】

　化学反応式の係数の比は物質量〔mol〕の比に一致する。このことを利用して，化学反応における物質量〔mol〕，粒子数〔個〕，質量〔g〕，体積〔L〕といった量の関係を知ることができる。

CO 1.0molと反応するO₂は，何molか。

　　　　反応式の係数比より，　CO　2mol　と　O₂　1mol　の割合なので，

　　　　CO 1.0molでは，1×1.0／2＝0.50〔mol〕

　　CO 1.4molからCO₂は何gできるか。C＝12，O＝16

　　　　反応式の係数比より，　CO　2mol　と　CO₂　2mol（（12＋16×2）×2＝88g）　の割合なので，

　　　　CO 1.4molでは，88×1.4／2＝61.6≒62〔g〕

CO₂ 11gを生成するために必要なCOは標準状態で何Lか。

　　　　反応式の係数比より，CO　2mol（22.4×2L）とCO₂　2mol（＝(12＋16×2)×2＝88g）の割合なので，

　　　　CO₂ 11gでは，22.4×2×11／88＝5.6〔L〕

 
例題　
　次のメタンCH₄の燃焼について，後の問いに有効数字2桁で答えよ。また，生成する水はすべて気体とし，気体はすべて標準状態とする。H＝1.0，C＝12，O＝16

　　CH₄ ＋ 2O₂ → CO₂ ＋ 2H₂O

(1)　 4.0molのCH₄と反応するO₂は何molか。　　(2)　 0.80molのCH₄から生成するCO₂は何ｇか。

(3)　1.6gのCH₄から生成するH₂Oは何molか。　　(4)　6.6gのCO₂を得るのに必要なCH₄は何gか

(5)　15LのCH₄と反応するO₂は何Lか。　　(6)　5.0LのCH₄から生成するH₂Oは何gか。

(7)　1.5×10²³個のCH₄分子から生成するCO₂は何gか。

(8)　33.6Lのメタンと56.0Lの酸素を反応させた。反応が終了したときに残る物質は何か。また，その物質量は何molか。

(9)　2.4ｇのメタンと12.8gの酸素を反応させた。この反応せ発生し二酸化炭素は何Ｌか。また，生成した水は何gか。

(1)　8.0mol　(2)　35g　(3)　0.20mol　(4)　2.4g　(5)　30L　(6)　8.0　(7)　11g

(8)　メタンが0.25mol余る　(9)　二酸化炭素3.4L　水5.4g