化学反応式に係数をつける方法

化学反応式とは化学反応を化学式で書き表したものです。反応する化学物質は左側に書き、生成する化学物質は右側に書きます。質量保存の法則により、化学反応において原子は新しく創られることもなければ壊れて失くなることもありません。それゆえ反応物の原子の総数と生成物の原子の総数は等しくなります。ここでは、原子の総数を合わせて化学反応式に係数をつける方法について学んでいきましょう。

方法 1
原子数を書き出して係数を決める

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与えられた反応式をノートに書き出します。例えば、次のようなものです。
- C₃H₈ + O₂ --> H₂O + CO₂
- この反応ではプロパン（C₃H₈）が燃焼して酸素と結びつき、水と二酸化炭素が生成しています。
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左辺と右辺それぞれの原子数を元素ごとに書き出します。原子の右下の添え数字を見ると、反応式中の原子数がわかります。
- 左辺：炭素３、水素８、酸素２
- 右辺：炭素１、水素２、酸素３
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酸素と水素の数は常に最後に考えます。
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どの元素を先に合わせるか迷った場合、右辺と左辺のどちらにおいても分子を１つだけ作っている元素に着目します。この反応式では最初に炭素の係数を合わせます。
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右辺の炭素に係数を付けることで、左辺の炭素原子数の３と一致させます。
- C₃H₈ + O₂ --> H₂O + 3CO₂
- 右辺の炭素の係数３は炭素原子が３つあることを表しており、左辺の炭素についている添え数字３も炭素原子が３つあることを表しています。
- 化学反応式において、係数は変えることができますが、元素についている添え数字は変えることができません。
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次に水素の原子数を合わせます。左辺に8つあるため、右辺にも8つの水素原子が必要です。
- C₃H₈ + O₂ --> 4H₂O + 3CO₂
- 右辺において、水素の添え数字は2です。したがって、すでに水素原子が2つあることが分かります。ここで係数4を付け加えます。
- 係数4と添え数字2をかけると、原子数の8になります。
- 酸素原子は4H₂Oに4つ、3CO₂に6つ含まれています。（水に含まれる酸素原子4+ 二酸化炭素に含まれる酸素原子6=10）
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酸素の原子数を合わせます。
- 右辺の分子に係数を付けたので酸素の原子数が変わりました。水に含まれる酸素原子は4つ、二酸化炭素に含まれる酸素原子は6つです。合計で10になります。
- 左辺の酸素分子の係数を5にします。これで両辺の酸素原子数がそれぞれ10になりました。
- C₃H₈ + 5O₂ --> 4H₂O + 3CO₂
- 炭素、水素、酸素それぞれの原子数がそろいました。化学反応式の完成です。

方法 2
未定係数法

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文字と化学式を使って化学反応式を書きます。化学反応式を書いたら、a=1とおきます。
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係数には変数である文字を使います。
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反応物の原子数と生成物の原子数を元素ごとに比べて、方程式を作ります。
- aPCl₅ + bH₂O = cH₃PO₄ + dHClにおいて、Pの原子数を比べてa=c=1、Clの原子数を比べて5a=d、Hの原子数を比べて2b=3c+dという3つの式が得られます。この3つの式を連立方程式の代入法で解くと、a=1 b=4 c=1 d=5という係数が導かれます。