中2定期テスト 化学変化と原子・分子—ワークの粒子モデルから化学反応式を書き直す｜武蔵野個別指導塾

水の分解を粒子数の欄で追い、添字と係数を使い分けて粒子から見直す反応式です。

よくあるのは、ワークの反応式で左右の数を合わせようとして、係数の代わりに添字を変えるという場面です。赤で直された式を写しても、次の問題で同じ場所に迷うことがあります。範囲表と授業ノートを開き、モデルの丸が何を表し、式の数字がどの範囲にかかるかを確かめましょう。

提出欄と粒子数の欄を分ける

まず範囲表で化学変化と原子・分子が今回の範囲に入っているかを見ます。未習なら今回の準備から外します。範囲にある場合は、授業プリントの物質名と化学式、モデル図、ワーク、小テストを並べます。授業で扱った反応に印を付け、提出物の進み具合と、何も見ずに説明できるかを別の欄に記します。提出済みでも、係数を決めた理由を話せなければ解き直しの候補です。

自作の整理欄は「物質名と式」「反応前後の粒子」「訂正の理由」の3列にします。例えば水の電気分解なら、名前と式を結ぶ問題、粒子を数える問題、反応式を完成させる問題に分けられます。小テストの間違いには、物質名から式を思い出せない、モデルを数え間違えた、添字を係数と混同した、のように原因を書きます。空欄を埋められなかった場合も、最初に止まった列を記録します。

答えを写した後は欄を隠し、元の問題からもう一度作ります。式が合っていても、左右の原子数を説明できなければ粒子の欄に戻ります。反対に数は合うのに物質の式を変えてしまったなら、記号と添字の意味から直します。学校のノートにない物質を増やすより、範囲内の反応でこの往復を確実にすることが先です。

ワークに書き込みが多く、最初の間違いが読めないときは、問題の条件を別の欄に書き直します。物質名や指定された化学式が欠けていれば、学校の資料でそこを補ってから解きます。条件が不明なまま係数を決めても、何を表す式か確かめられません。小テストで正解だった問題も、説明欄を隠して粒子数を言えるか試すと、偶然係数を覚えていただけの場合を見分けられます。保護者が確認する場合は答えを先に告げず、どの記号を何個数えたかを尋ねてみましょう。

原子のまとまりと数を読む

原子は物質をつくる粒子で、種類を元素記号で表します。水素の原子は H、酸素の原子は O です。分子は原子が結び付いた粒子で、水素分子 H₂ は水素原子2個、酸素分子 O₂ は酸素原子2個からなります。水分子 H₂O は水素原子2個と酸素原子1個からなります。原子が1個のところには添字の1を書きません。

化学式の右下の数字は、そのまとまりの中の原子数を表します。前に置く係数は、そのまとまりがいくつあるかを表します。図1のように、2H₂O なら水分子が2個あり、水素原子は2個ずつで計4個、酸素原子は1個ずつで計2個です。係数は後ろの化学式全体にかかります。

図1では、囲み1つが水分子1個です。H₂O の添字を変えれば、同じ水分子の個数を増やしたことにはならず、別の組成を表します。物質名と化学式の対応や記号の書き方は覚えます。一方、係数をなぜ置くかは原子を数えて説明します。化学変化では原子の組み合わせが変わり、反応前後で原子の種類ごとの数は変わりません。

1種類の物質が別の物質に分かれる変化を分解、2種類以上の物質が結び付いて別の物質になる変化を化合といいます。名前だけで判断せず、矢印の前後にどの物質があるかを見ます。矢印は変化の向きを示し、左に反応する物質、右にできる物質を書きます。複数の物質は + で区切ります。イオンやモルを使わず、粒子と原子の数で考えます。

水の分解を訂正欄に書く

次の問題は、授業のモデル図と小テストの欄を模して作ったものです。粒子数は反応の関係を考えるための数です。

【基本例題】水が分解して水素と酸素になる。水の化学式は H₂O、水素は H₂、酸素は O₂ である。水分子2個が残らず変化するとき、水素分子と酸素分子はそれぞれ何個できるか。整数で答え、係数を最も簡単な整数にして化学反応式を書きなさい。

最初に、物質の式を変えずに骨組みを書きます。左に H₂O、右に H₂ と O₂ を置いて、H₂O → H₂ + O₂ とします。この段階では原子数が左右でそろっているとは限りません。矢印は答えを計算する等号ではなく、物質の変化を表します。

水分子2個には、水素原子が2個ずつ入るので計4個、酸素原子が1個ずつ入るので計2個あります。水素分子1個には水素原子2個が入るため、水素原子4個から水素分子2個ができます。酸素分子1個には酸素原子2個が入るため、酸素原子2個から酸素分子1個ができます。図2のように、原子の種類ごとに左から右へ数を引き継ぎます。

図2の水分子2個、水素分子2個、酸素分子1個を係数で表すと、2H₂O → 2H₂ + O₂ です。係数1は通常書きません。左の水素原子は2×2で4個、右は2×2で4個です。酸素原子は左が2×1で2個、右が1×2で2個です。問題の条件に戻すと、水2個が水素2個と酸素1個に変わり、原子を余らせていません。

結果の欄には「水素分子2個、酸素分子1個」と書き、式の欄には上の反応式を書きます。水素の2は分子の個数、酸素の1は分子の個数であって、原子数そのものではありません。分子の数は反応前後で同じとは限らないため、分子の個数だけを左右で比べても判断できません。原子の種類ごとに数えるところまでが訂正です。

条件を変えて化合を考える

【発展例題】マグネシウム Mg と酸素 O₂ が反応して酸化マグネシウム MgO になる。酸素分子3個が残らず反応するとき、必要なマグネシウム原子とできる酸化マグネシウムの MgO のまとまりはそれぞれ何個か。整数で答え、係数を最も簡単な整数にした化学反応式を書きなさい。

まず反応の骨組みは Mg + O₂ → MgO です。酸素分子3個には酸素原子が2個ずつ、計6個あります。MgO のまとまり1個には酸素原子が1個含まれるので、酸素原子6個から MgO のまとまりが6個できます。それぞれにマグネシウム原子が1個ずつ必要ですから、必要なマグネシウム原子は6個です。

問題の条件の個数をそのまま並べると 6Mg + 3O₂ → 6MgO です。左の Mg は6個、O は3×2で6個、右の Mg と O はそれぞれ6個です。ただし問題は最も簡単な整数の係数を求めています。全部の係数を3で割ると 2Mg + O₂ → 2MgO となります。この式の係数の比を3倍すれば、問題の6個、3個、6個に戻ります。係数の比と問題に与えられた粒子の個数を区別しましょう。

酸化マグネシウムをここでは MgO のまとまりとして数えました。水分子の例のように、すべての物質を分子として扱う必要はありません。反応の前にはマグネシウムと酸素の2種類があり、後には酸化マグネシウムができているので化合です。数がそろっていても、物質の式が問題の指定と違えば訂正が必要です。

添字を変えた答えを直す

水の分解で H₂O → H₂ + O と書き、酸素の数を合わせたつもりになる間違いを考えます。左も右も水素原子2個、酸素原子1個なので、数だけを見ればそろっています。しかし問題で指定した酸素の化学式は O₂ です。O と書き換えると、指定された酸素分子を表していません。図3のように、原子数と物質の式の両方を点検します。

図3では、まず O を O₂ に戻し、水の分子を2個にして酸素原子を2個用意します。すると水素原子が4個になるので、水素分子も2個にします。完成した式は 2H₂O → 2H₂ + O₂ です。正答を赤字で写す前に、どの物質の式が変わったかを囲み、変えてよい位置は係数だと書き添えます。

別の失敗として、2H₂O の酸素原子を1個と数えることがあります。係数の2が水全体にかかることを見落とした場合です。水分子を2つ囲んでそれぞれの O を数えると、酸素原子は2個と見直せます。また 2H₂ + 2O₂ → 2H₂O のように係数を付けた場合は、左の酸素が4個、右が2個です。酸素分子の係数を1に戻してから、もう一度左右を数えます。

途中で数が合わなくなっても、添字を調整して帳尻を合わせず、指定された化学式に戻ります。物質名と式が曖昧ならノートで確認し、係数の欄だけを空けて再開します。制限時間を意識して手が止まった場合も、まず左右の物質を書き、種類別の原子数を小さく記して、次に動かす係数を決める練習をします。

自分で試す4問

次の問題の化学式と粒子数は練習のために与えた条件です。まず4問を解き、次の解答欄で確かめます。反応式の係数は最も簡単な整数とし、1は省いてください。

1. 炭素 C と酸素 O₂ が反応して二酸化炭素 CO₂ ができます。炭素原子4個が酸素分子4個と残らず反応すると、二酸化炭素分子は何個できますか。整数と化学反応式で答えなさい。
2. 水素 H₂ と塩素 Cl₂ が反応して塩化水素 HCl ができます。水素分子3個と塩素分子3個が残らず反応すると、塩化水素分子は何個できますか。整数と化学反応式で答えなさい。
3. 酸化銀 Ag₂O が分解して銀 Ag と酸素 O₂ ができます。酸化銀の Ag₂O のまとまり4個が残らず変化すると、銀原子と酸素分子はそれぞれ何個できますか。整数と化学反応式で答えなさい。
4. 窒素 N₂ と水素 H₂ が反応してアンモニア NH₃ ができます。窒素分子2個が残らず反応するのに必要な水素分子と、できるアンモニア分子はそれぞれ何個ですか。整数と化学反応式で答えなさい。

解答と戻して確かめる手順

1. 二酸化炭素分子は4個、式は C + O₂ → CO₂ です。CO₂ には炭素原子1個と酸素原子2個が入ります。4分子なら炭素原子4個と酸素原子8個なので、問題の炭素原子4個と酸素分子4個に戻ります。係数はすべて1です。

2. 塩化水素分子は6個、式は H₂ + Cl₂ → 2HCl です。反応前の水素原子と塩素原子はそれぞれ6個です。HCl 6分子には各原子が6個ずつ含まれるので、与えられた3分子ずつに対応します。式の2は塩化水素分子の係数で、H や Cl の添字ではありません。

3. 銀原子8個、酸素分子2個、式は 2Ag₂O → 4Ag + O₂ です。Ag₂O 4個には銀原子8個、酸素原子4個があります。銀原子8個と酸素分子2個に戻しても、銀は8個、酸素は4個です。式に問題の個数を表す係数 4、8、2 を書いた後、2で割って最も簡単な整数にします。

4. 水素分子6個、アンモニア分子4個、式は N₂ + 3H₂ → 2NH₃ です。窒素分子2個には窒素原子4個があり、NH₃ 4分子に入ります。この4分子には水素原子が12個必要なので、水素分子は6個です。係数の比を2倍すると問題の2、6、4に戻ります。窒素と水素の両方を数えて、条件に余りがないことを確認します。

答えが合わなかったら、まず問題に示された物質の式がそのまま使われているか見ます。次に係数と添字を掛けて、原子ごとに左右の数を並べます。数が合っていて係数に共通の約数があれば、指定された最も簡単な整数に直します。問題の粒子数と式の係数が異なるときは、その比を何倍すると条件に戻るかを説明します。

解答欄が狭い場合は、別の紙に原子数の表を作ってから式を清書します。表を使わずに解けた場合も、最後に一度数え直すと、係数を掛け忘れた箇所を見つけやすくなります。

次の1問で残すこと

物質名に対応する化学式を先に固定します。
係数を掛けて、種類ごとの原子数を左右で数えます。
式の係数の比を問題の粒子数に戻し、条件と照合します。

止まった欄から確かめる

範囲表と解き直したワークを並べ、物質名の欄、粒子数の欄、式の欄のうち、どこで止まったかを見ます。お子さまが式を言えても粒子を数えられない場合は、係数を隠して分子を描き直すと、掛ける範囲を確かめられます。物質名と式の対応が曖昧なら、授業ノートの記録に戻ることが先です。

個別指導で見せるときは、正答を書いたページだけでなく、最初に書いた式と訂正の理由も残します。式が合わないときに添字を触ったのか、左右の原子数を数え違えたのかを一緒にたどれます。化学反応式の数字は、粒子のまとまりと原子の数に戻すと意味が見えてきます。