高校受験の理科 化学変化と化学反応式—原子の数をそろえて反応の前後を表す｜武蔵野個別指導塾

酸素分子の個数と係数の関係を粒子の図で読み、誤った式からたどり直す化学反応式です。

よくあるのは、中学生が酸素の数を合わせようとして、化学式の小さい数字を書き換える場面です。左右の数は同じに見えても、書き換えた先が別の物質を表していれば、起きた変化を表現できません。まず物質の名前と化学式を対応させ、それから式の前に置く数を調整します。原子を消したり新しく作ったりせず、組み替えるという見方が道しるべです。

どんな問いで使うか

反応前の物質と反応後の物質が示され、それらを化学反応式に表す問題があります。物質の化学式を正しく書いた後、左右の原子の種類ごとに個数を数え、係数を決めます。式が完成しているように見えても、右側の酸素原子が1個、左側が2個という食い違いが隠れていることがあります。

粒子の絵から式を選ぶ問題もあります。丸の色が原子の種類、つながった丸の集まりが1個の分子を示す場合、丸の総数と分子の個数を別々に読みます。絵に反応せず残った粒子があれば、それを生成物の分子と数えないことも必要です。絵の説明に使われる記号と、反応に参加した粒子の範囲を問題文で確かめます。

もう1つは、化学変化と熱の出入りを説明する問いです。反応中に周囲へ熱が出る変化と、周囲から熱を受け取る変化を区別します。化学反応式の係数をそろえる操作と、熱の出入りの判断は別の手順です。式が書けたことだけでは、温度の変化や熱の向きまでは決まりません。

原子を数えるための約束

化学変化では、もとの物質とは異なる物質が生じます。複数の物質が結びついて別の1種類の物質になる変化を化合といいます。反応の前後で原子の組み合わせは変わりますが、各種類の原子の数は変わりません。化学反応式は、その関係を化学式と係数で表したものです。

矢印の左に反応する物質、右に生じる物質を書きます。同じ側に物質が複数あるときは + で区切ります。矢印は反応前から反応後への向きを示し、左右が同じ物質だという意味ではありません。反応に参加する物質と生成する物質は問題の条件や観察から決め、係数だけを見て勝手に追加しないようにします。

図1のように、H₂は水素原子2個からなる水素分子1個、O₂は酸素原子2個からなる酸素分子1個を表します。H₂Oは水分子1個を表し、その中には水素原子2個と酸素原子1個があります。右下の小さい数字は1個の粒子の中の原子数です。数字がない部分は1個と読みます。

図1のように分子を囲んで数えると、原子の数と分子の数を取り違えにくくなります。式の前に付く係数は、その化学式で表す粒子全体の個数を何倍にするかを表します。たとえば2H₂Oは水分子2個なので、水素原子は2 × 2で4個、酸素原子は2 × 1で2個です。係数1は普通書きません。

H₂Oの小さい2を動かすと、水分子の組み合わせそのものが変わります。一方、前に2を置けば水分子が2個になります。正しい化学式を保ったまま係数を変えるのは、この違いのためです。分子をつくらない物質でも、化学式が表す原子の組み合わせを係数倍して原子数を数えます。

基本例題：水ができる式

水素と酸素が反応して水が生じました。反応する物質は水素と酸素、生成する物質は水です。それぞれの化学式をH₂、O₂、H₂Oとして、係数を最も簡単な整数の比で示した化学反応式を書きなさい。係数1は省きます。

最初に、与えられた化学式を反応前と反応後に分けます。水は右側に置き、水素と酸素は左側に置きます。

H₂ + O₂ → H₂O

このまま数えると、左は水素2個、酸素2個です。右は水素2個、酸素1個なので、酸素の数が合いません。酸素の小さい数字を変えるのではなく、水の化学式の前に2を置きます。

H₂ + O₂ → 2H₂O

右は水分子2個なので、水素は2 × 2 = 4個、酸素は2 × 1 = 2個です。酸素は左右とも2個になりましたが、左の水素はまだ2個です。そこでH₂の前にも2を置きます。

2H₂ + O₂ → 2H₂O

図2のように左の水素分子2個には水素原子が合計4個あり、酸素分子1個には酸素原子が2個あります。右の水分子2個には水素原子が4個、酸素原子が2個あります。各種類について左右が一致したので、答えはこの式です。係数の比は2:1:2で、共通の整数でこれ以上割れません。

図2のように反応後の水分子を2個にしてから、必要な水素分子の数を戻って数えると、係数がどこから来たか追えます。左右を点検するときは、原子の種類をまとめて「6個」とするのではなく、水素4個と酸素2個に分けます。合計が同じでも種類ごとの個数が違えば正しい式ではないからです。

係数をすべて2倍した4H₂ + 2O₂ → 4H₂Oも原子数は一致します。しかし問題は最も簡単な整数の比を求めているため、すべてを2で割った式を答えます。係数の比は粒子の個数比を表し、そのまま質量比を意味するわけではありません。

式を完成させる途中で、左右の数が一時的に合わなくなっても失敗ではありません。係数を置いた後、どの種類の原子が増えたかを記録し、次に調整する対象を決めます。ただし、一度決めた係数を何度も変えて行き詰まることがあります。そのときは書き直す前の化学式に戻り、左右の数を表にして、片側に2個ずつ現れる原子から調べ直すと見通しが立ちます。

式を読み取る問いでは、作る手順を逆向きにたどります。水ができる式なら、左の2H₂は水素分子2個、O₂は酸素分子1個、右の2H₂Oは水分子2個です。水素と酸素を合わせて3分子がそのまま残るという意味ではありません。反応後には原子が組み替わって水分子になり、粒子の総数は前後で変わる場合があります。

少し難しい例題：酸素の数から戻る

マグネシウムが酸素と反応して酸化マグネシウムが生じました。化学式は順にMg、O₂、MgOです。係数を最も簡単な整数の比にして、化学反応式を書きなさい。係数1は省きます。

まずMg + O₂ → MgOと並べます。酸素原子は左に2個、右に1個です。右のMgOの前に2を置くと、右には酸素原子が2個になります。同時にマグネシウム原子も2個になるので、左のMgの前に2を置きます。

2Mg + O₂ → 2MgO

左はマグネシウム2個と酸素2個、右もマグネシウム2個と酸素2個です。答えを条件に戻すと、反応物はMgとO₂、生成物はMgOのままで、原子数も保存されています。係数比2:1:2もこれ以上小さい整数の比にできません。

分かれ目は、酸素が左では2個で1組、右ではMgOの1組につき1個という点です。右を2組に増やせば酸素は合いますが、同じ組に含まれるMgも増えます。酸素だけを直したつもりで止まらず、変更した係数がかかる範囲全体を数え直します。

マグネシウムの燃焼は周囲に熱を出す発熱反応の例です。反対に、周囲から熱を受け取る吸熱反応もあります。発熱と吸熱は熱が系と周囲のどちらへ移るかで区別し、温度の観察条件も見て判断します。熱が外へ逃げる程度などの条件がなければ、式の係数から温度の数値は求められません。

誤った式を診断する

水ができる基本例題で、H₂ + O₂ → H₂O₂とした答えを考えます。左右の水素原子は2個、酸素原子も2個で、数だけは一致します。しかしH₂O₂は与えられた水の化学式H₂Oではありません。数を合わせることに気を取られ、生成する物質を変えたのが原因です。

図3のように、まず右側を指定されたH₂Oに戻します。次に係数を使い、水分子を2個にして酸素を合わせ、水素分子も2個にして水素を合わせます。最後に水素と酸素を別々に数え、2H₂ + O₂ → 2H₂Oとします。

図3のように、原子数の一致と物質の一致は別々に点検します。逆に、正しい化学式を書けても係数が未調整なら式は完成していません。係数を1つ直すと別の原子数も変わるので、最後に左右の全種類をもう一度数えます。

反応が周囲を温めたときに「周囲から熱を吸収した」と答える間違いもあります。温まった周囲へ熱が移ったと考えると、反応は発熱です。反応が進むために最初に加熱したかどうかと、反応中の熱の出入りを混同しないようにします。温度の変化を読むときは、どこを測ったかも問題文に戻って確かめます。

係数を書き忘れた答案も、どの段階で止まったかに注目します。Mg + O₂ → MgOなら、物質の選択は条件に合いますが、酸素が左2個、右1個です。MgOの前に2を置いた後、今度はマグネシウムが左1個、右2個になります。残った不一致を左のMgの係数で直し、両種類に戻って確かめます。

また、熱の向きが問題に書かれていないのに、式の矢印だけから発熱と判断することはできません。反応式の矢印は物質の変化の向きです。熱の移動を矢印で表すなら、周囲と反応する物質を別に描き、何を表す矢印かを添えます。この区別を持つと、式の読み違いと熱の読み違いを別々に直せます。

練習：式と粒子と熱を読む

次の問題はそれぞれ独立した条件です。化学反応式の係数は最も簡単な整数の比とし、1は省いて答えてください。粒子数は個で答えます。

1. 炭素Cが酸素O₂と反応して二酸化炭素CO₂が生じます。化学反応式を書き、左右の炭素原子と酸素原子をそれぞれ数えなさい。
2. 鉄Feと硫黄Sが反応して硫化鉄FeSが生じます。化学反応式を書き、鉄原子3個が硫黄原子3個と反応したときに生じるFeSの組の数を答えなさい。
3. 窒素N₂と水素H₂からアンモニアNH₃が生じます。化学反応式を書き、窒素分子2個が過不足なく反応するときに必要な水素分子と生じるアンモニア分子の数をそれぞれ答えなさい。
4. ある変化では、反応が進む間に周囲から反応する物質へ熱が移りました。発熱反応と吸熱反応のどちらかを答え、熱の移る向きを言葉で説明しなさい。

答えとたどり方

1. C + O₂ → CO₂です。左は炭素1個と酸素2個、右も炭素1個と酸素2個です。CO₂を1分子つくると、条件のC原子1個とO₂分子中の酸素原子2個を使うので、元の物質と生成物の両方に戻して確かめられます。

2. Fe + S → FeSです。左右とも鉄と硫黄が各1個なので係数は1:1:1です。鉄3個と硫黄3個を1個ずつ組にすると、FeSは3組生じます。3組を原子に戻すと鉄3個と硫黄3個で、問題の条件と一致します。

3. N₂ + 3H₂ → 2NH₃です。NH₃を2分子にすると窒素原子2個、水素原子6個です。左のN₂を1分子、H₂を3分子にすれば同数になります。窒素分子2個では係数の比を2倍し、水素分子6個、アンモニア分子4個です。4分子に含まれる窒素原子は4個、水素原子は12個で、N₂の2分子とH₂の6分子に含まれる数へ戻ります。

4. 吸熱反応です。熱は周囲から反応する物質へ移ります。問題の向きに矢印を描けば、周囲が送り手、反応する物質が受け手です。反対向きに読み替えていないか、答えの文を与えられた条件と照合します。

手元に残す要点

化学式は物質を表し、係数はその粒子の個数比を表します。
原子を種類ごとに数え、左右が一致するよう係数を決めます。
化学式の小さい数字は係数合わせのために変えません。
発熱と吸熱は、反応する物質と周囲の間の熱の向きで区別します。

つまずきを見分けるには

式を見て答えが合っていても、係数が化学式全体にかかることを説明できるか尋ねると、理解の場所が見えてきます。お子さまが2H₂Oの水素を2個と数えたら、水分子を2つ描いて各分子の中の水素を指さしてもらいます。正答を教える前に、どの範囲を1組と読んだかを聞くと、修正する場所を特定できます。

個別指導では、まず指定された物質を化学式で書き、次に左右の原子数を種類別に記録する途中を確かめます。小さい数字を変えた場合は元の物質に戻し、係数を変えた後に他の原子数も再点検します。熱の問題では周囲と反応する物質を紙上に分け、矢印を言葉に直してもらいます。反応前後に同じ種類の原子が何個あるかを追えば、化学反応式の意味が見えてきます。