化学反応
ガスの燃焼、鉄のさび、重曹に酢を加えたときの発泡は、いずれも原子が結びつく相手を変える現象です。原子数を示す棒で反応式の係数を合わせ、密閉容器と開いた容器で反応の質量を比べ、温度が上がると粒子がより速く動いて衝突する様子を観察します。
このコースについて
氷を溶かしても水のままです。紅茶に砂糖を溶かしても、砂糖の分子は砂糖のままで、広がっただけです。こうしたものは物理変化です。化学変化では、それまでとは違う物質が必ずできます。さびは、そのもとになった鉄、酸素、水とは別の物質です。このコースでは、そうした変化を通して変わらないものを学びます。それはすべての原子です。
六つの単元は、化学反応とは何か、化学反応式のつり合い、質量保存、反応の種類、反応のエネルギー、反応の速さです。水素が燃える反応を H₂ + O₂ → H₂O と書いて数えてみましょう。左側には酸素原子が二個、右側には一個しかないので、一つ消えたことになりますが、そんなことは起こりません。質量保存には、モルを使った例題があります。CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O の反応物は 80.039 g で、生成物を足しても 80.039 g です。丸太の重さは数キログラムありますが、灰ははるかに軽く、釘はさびると重くなります。はかりが気体の重さをはかっていなかったからです。反応の種類には単置換があります。硝酸銀水溶液に銅線を入れると、銀の結晶ができて、液体が青くなる反応がその例です。実験の原子数を示す棒グラフでは、どの反応も、始めにあった原子をすべて保っていることがわかります。
コースはエネルギーと速さで終わります。生成物のエンタルピーが反応物より小さいと、ΔH は負になり、反応は発熱反応です。衝突理論は、反応の速さを三つの考え方で説明します。粒子が出会うこと、正しい向きで出会うこと、そして活性化エネルギーに届くほど強くぶつかることです。粒子モデルを使う実験では、反応が数秒で見えるように、エネルギーの壁を低くしてあります。
はじめる前に
ここでは式を CH₄ や Fe₂O₃ のような化学式で書くので、原子と分子が何かを知っている必要があります。それは原子と化学結合で扱います。質量保存の単元ではg/mol単位のモル質量も使いますが、これは結合のコースで導入されます。
終わったら
Fe + O₂ → Fe₂O₃ のような式の係数を合わせ、メタンが燃えても質量が保存されることを示し、反応を合成、分解、単置換、複分解、燃焼、酸化還元に分けられるようになります。メタン2モルを燃やしたときの熱を計算し、おがくずが丸太より速く燃える理由と、食べ物が冷蔵庫で長持ちする理由を説明することもできます。
- 1化学反応とは何でしょうかメタン1分子と酸素2分子から、二酸化炭素1分子と水2分子ができます。途中で原子が1個でも失われることはありません。
- 2化学反応式の係数を合わせる水素と酸素から水ができるときの比は2 : 1 : 2です。O₂の1分子には、水2分子に必要な酸素が含まれているためです。
- 3質量保存の法則メタン16.04 gを酸素64.00 g中で燃やすと、二酸化炭素44.01 gと水36.03 gができます。反応前後の質量はともに80.04 gです。
- 4化学反応の種類硝酸銀水溶液に銅線を入れると、銀の結晶が育ち、液が青くなります。銅が銀と入れ替わったのです。
- 5化学反応とエネルギーメタン1モル16 gを燃やすと890.8 kJの熱が放出されます。約2.7リットルの水を20 °Cから100 °Cまで温められる量です。
- 6反応速度多くの反応では、温度が10 °C上がると速さがおよそ2倍になります。冷蔵庫では数日もつ食品が、暖かい調理台では傷む理由です。
このコースの出典 (14)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 law of conservation of matter, 1.3 chemical change (rust, combustion, cooking and rotting)
- 4.1 balancing by inspection (CH4 + 2O2, 2H2O to 2H2 + O2, 2N2 + 5O2 to 2N2O5)
- 4.2 precipitation (PbI2 from KI and Pb(NO3)2, AgCl insoluble)
- redox (Na + Cl2, copper wire in silver nitrate)
- combustion, 5.1 specific heat of water 4.184 J/g °C, 5.3 enthalpy (ΔH < 0 exothermic; ΔHc CH4 −890.8, H2 −285.8, ethanol −1366.8, methanol −726.1 kJ/mol; 1.00 L isooctane 33,100 kJ; ozone formation endothermic)
- 12.2 factors affecting rates (sodium and iron in air, calcium and sodium in water, sawdust, rate roughly doubles per 10 °C, phosphorus in pure oxygen, air about 20% oxygen, H2O2 decomposition)
- 12.5 collision theory and Arrhenius equation (R = 8.314 J/mol/K, catalytic converters)
- 12.7 catalysis and enzymes
- NIST Chemistry WebBook methane ΔcH°gas −890.7 ± 0.4 kJ/mol (webbook.nist.gov)
- NIST CODATA Avogadro constant 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ exact (physics.nist.gov)
- IUPAC CIAAW abridged standard atomic weights (H 1.0080, C 12.011, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, Ca 40.078, Fe 55.845, Sn 118.71; ciaaw.org)
- ACS International Historic Chemical Landmark, The Chemical Revolution of Antoine-Laurent Lavoisier (acs.org, Traité élémentaire de chimie 1789, quotation on conservation of mass)
- Lavoisier, memoir on the calcination of tin in closed vessels, Mémoires de l'Académie Royale des Sciences for 1774, published 1777 (via web.lemoyne.edu/giunta/classicalcs/lavoisier.html)
- PubChem sodium bicarbonate and acetic acid pages (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).
確認日: 2026-10-17