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。
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ガスこんろに火をつけると、青い炎が現れます。入るのはガスと空気だけ、出るのは熱だけに見えるかもしれません。それでも、物質はすっかり変わっています。ガス中のメタンと空気中の酸素がなくなり、代わりに二酸化炭素と水蒸気が生じています。これが化学反応です。原子がもとの相手との結合を切って別の相手と結びつくことで、物質が別の物質に変わります。
化学変化と物理変化
氷を溶かしても、物質は水のままです。紅茶に砂糖を溶かしても、砂糖の分子は広がるだけで砂糖のままです。こうした変化を物理変化といいます。見た目は変わっても、分子は変わりません。一方、化学変化では、必ずもととは異なる物質が生じます。さびは、その材料である鉄、酸素、水とは別の物質です。食品を燃やす、調理する、消化する、腐らせる変化も、毎回新しい物質ができるので化学変化です。
原子の組み替えは普通は見えないため、化学では手がかりを探します。重曹と酢の泡のように、それまでなかった気体が生じることがあります。硝酸銀水溶液に銅線を入れると、液が青くなり灰色の銀の結晶が育つように、色が変わることもあります。透明な2種類の水溶液を混ぜて固体ができる場合もあります。硝酸鉛とヨウ化カリウムでは、沈殿と呼ばれる鮮やかな黄色の固体が生じます。炎のように熱や光を放出したり、逆に吸収したりもします。ただし、沸騰する水も泡を出すので、どれか1つだけでは反応の証拠になりません。複数の手がかりを合わせて判断します。
化学反応式の読み方
化学では反応を式で表します。反応前の物質である反応物を左辺に、反応によってできる生成物を右辺に書きます。矢印で反応の向きを示し、それぞれの辺では物質の間をプラス記号で区切ります。メタンの燃焼はCH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂Oです。化学式の中の小さな数字は下付きの数字で、物質の組成を示します。H₂Oは水素原子2個と酸素原子1個からなります。式の前の大きな数字は係数で、各物質がいくつ反応するかを示します。係数1は省略します。
係数が表すのは比であり、決まった個数ではありません。CH₄ + 2O₂はメタン1分子に対して酸素2分子という意味なので、メタン3分子には酸素6分子、メタン1モルには酸素2モルが必要です。物質の状態を示す記号を括弧に入れて添えることもあります。(s)は固体、(l)は液体、(g)は気体、(aq)は水に溶けた状態です。水を冷やして液体にした場合、メタンの反応式はCH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l)となります。
上の実験で、いくつかの反応を比べてみましょう。どの反応でも、最初にあった原子はすべて残ります。鉄と酸素からは、さびの主成分である酸化鉄(III)ができます。石灰岩をつくる鉱物の炭酸カルシウムは、強く加熱すると酸化カルシウムと二酸化炭素に分かれます。いずれも反応物と生成物の原子数の棒は一致します。この決まりを次の単元で扱います。
| 反応物 | 反応前にある物質です。左辺に書きます。 |
| 生成物 | 反応でできる物質です。右辺に書きます。 |
| 係数 | 化学式の前の数字で、反応する粒子などの数を示します。 |
| 下付きの数字 | 化学式の中の小さな数字で、物質の組成を示します。 |
| (aq) | 水に溶けた状態（水溶液）です。 |
| 沈殿 | 水溶液を混ぜたときに生じる固体です。 |
- 化学変化はどれですか？
- 鉄がさびる
- 氷が溶ける
- 紅茶に砂糖が溶ける
- 水が沸騰する
- CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂Oの生成物はどれですか？
- CO₂とH₂O
- CH₄とO₂
- CO₂だけ
- CH₄とH₂O
- 2H₂Oに水素原子はいくつありますか？
- CH₄ + 2O₂の左辺に酸素原子はいくつありますか？
- メタン3分子が完全燃焼するとき、O₂は何分子必要ですか？
- 化学式の後の(aq)は何を意味しますか？
- 水に溶けている
- 気体
- 純粋な液体
- 固体
- 硝酸鉛水溶液とヨウ化カリウム水溶液を混ぜると黄色の固体ができます。この固体を何と呼びますか？
- 沈殿
- 触媒
- 反応物
- 指示薬
- 泡だけでは反応が起きた証拠にならないのはなぜですか？
- 沸騰でも泡ができるから
- 泡は必ず水だから
- 反応で気体は生じないから
- 泡は触媒を意味するから
- 反応式のH₂OをH₂O₂に変えると、どうなりますか？
- 別の物質を表すことになる
- 水の量だけが変わる
- 何も変わらない
- 自動的に係数が合う
- 化学反応では原子が結びつく相手を変え、新しい物質が生じます。
- 手がかりは気体、色の変化、沈殿、熱や光です。物理変化では分子は変わりません。
- 反応物は左辺、生成物は右辺です。係数は比を、下付きの数字は物質の組成を表します。
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