構造 化学反応式(以下の例を参照)は、左辺に反応物(開始物質)のリスト、矢印記号 、右辺に生成物(化学反応で生成される物質)のリストで構成されます。各物質は化学式で指定され、必要に応じて 化学量論係数 と呼ばれる数値が前に付きます。[ a ] 係数は、分子レベルでその物質の実体(分子 など)がいくつ反応に関与しているかを示します。明示的に記述されていない場合、係数は 1 に等しくなります。式の両辺にある複数の物質は、プラス記号 で区切られます。
例えば、塩酸 とナトリウム の反応式は次のように表すことができます。
2HCl + 2Na → 2NaCl + H₂ 式が比較的単純なので、この式は「塩酸2分子とナトリウム2分子が反応して塩化ナトリウム2分子と水素2分子を生成する」と読むことができます。 あるいは 、 複雑な化学物質を含む式の場合、一般的にはIUPAC命名法 を用いて化学式を読みます。この命名法では、この式 は 「塩酸2分子とナトリウム2原子が反応して塩化ナトリウム2分子と水素ガス1分子を生成する」と 表現でき ます。
反応の種類 反応の種類を示すために、矢印記号のさまざまなバリエーションが使用されます。[ 1 ]
物質の状態 化学物質の物理的状態 を示すために、その化学式に括弧付きの記号を付加することがあります。固体の場合は (s)、液体の場合は (l)、気体の場合は (g)、水溶液 の場合は (aq) です。[ 5 ] これは特に、その状態や変化を強調したい場合に行われます。例えば、塩酸水溶液と固体(金属)ナトリウムの反応により塩化ナトリウム水溶液と水素ガスが生成される反応は、次のように表されます。
2HCl(水溶液) + 2Na(s) → 2NaCl(水溶液) + H 2 (g) 反応物として塩酸の代わりに塩化水素ガス を用いた場合、その反応の熱力学的 および速度論的 特性は異なるものとなるだろう。
2HCl(g) + 2Na(s) → 2NaCl(s) + H 2 (g) あるいは、括弧のない矢印は、ガス↑または沈殿↓の生成を示すために使用される場合があります。これは、そのような物質が1種類だけ生成される場合に特に便利です。以下は、水素ガスが生成されることを示す例です。
2HCl + 2Na → 2 NaCl + H2 ↑
触媒作用およびその他の条件 ベイカー・ベンカタラマン転位反応には、 触媒 として塩基が 必要である。 反応にエネルギーが必要な場合は、矢印の上にエネルギーが示されます。反応矢印の上にギリシャ文字の大文字デルタ(Δ) または三角形(△) [ e ]を付けることで、熱エネルギーが反応に加えられることを示します。hν [ f ]という式は 、 光エネルギーの添加を表す記号として使用されます。その他の特定の種類のエネルギーや放射線には、別の記号が使用されます。
同様に、反応に特定の特性を持つ媒体が必要な場合は、媒体として使用される酸または塩基の名前を矢印の上に記すことができます。特定の酸または塩基が必要ない場合は、酸性または塩基性の媒体の使用を示す別の方法として、矢印の上に H + または OH − (あるいは「酸」または「塩基」)と書くことができます。温度や圧力の特定の条件、および触媒の存在も、同様の方法で示すことができます。
表記法のバリエーション このアミド の酸触媒加水分解 のメカニズムの図解では、化学反応式を連鎖させるために、反応物と生成物の一部を矢印の上と分岐部に配置しています。化学反応式の標準的な表記法では、反応物はすべて片側に、生成物はすべてもう片側に、そして化学量論係数はすべて正の値をとることのみが許容されます。例えば、メタノール からジメチルエーテル への脱水 反応の一般的な式は次のようになります。
2 CH 3 OH → CH 3 OCH 3 + H 2 O 場合によっては、化学量論係数を持つ物質を矢印の上または下に移動させる拡張が用いられることがあります。反応物にはプラス記号または何も付かずに、生成物にはマイナス記号を付します。すると、同じ方程式が次のようになります。
2 CH 3 おお → − H 2 O CH 3 OCH 3 {\displaystyle {\ce {2CH3OH->[{\overset {}{\ce {-H2O}}}]CH3OCH3}}} このような表記法は、重要度の低い物質を等式の両辺から隠したり、反応の種類をより明確にしたり、化学反応式の連鎖を容易にしたりするのに役立ちます。これは、多段階反応機構を説明する際に非常に有効です。なお、矢印の上または下にある物質は、通常の反応物や生成物と同様に反応で消費または生成されるため、この場合 触媒で はありません。
反応機構で用いられるもう一つの拡張機能は、一部の物質を矢印の分岐に移動させるものです。これらの拡張機能は両方とも、機構の例示図で使用されています。
式の両辺に負の化学量論係数を使用すること(以下の例のように)は広く採用されておらず、しばしば推奨されない。[ 6 ]
2 CH 3 おお − H 2 O ⟶ CH 3 OCH 3 {\displaystyle {\ce {2 CH3OH \;-\; H2O -> CH3OCH3}}}
化学反応式のバランスをとる 化学反応では核反応は 起こらないため、化学元素は 反応によって変化しません。したがって、化学反応式の両辺は、特定の元素(または、異なる同位体 を考慮する場合は核種)の原子の数が同じでなければなりません。 電荷保存の 法則が示すように、総電荷 についても同様です。これらの要件を満たす反応式は、バランス が取れていると言われます。
化学反応式は、化学量論係数に適切な値を割り当てることによってバランスが取れます。単純な反応式は、目視、つまり試行錯誤によってバランスを取ることができます。別の方法としては、連立一次方程式 を解く方法があります。
バランスの取れた方程式は通常、最小の自然数 係数で記述されます。しかし、他の係数を簡略化できる場合は、分数係数を受け入れる方が有利な場合もあります。導入例は次のように書き換えることができます。
HCl + ナ ⟶ 塩化ナトリウム + 1 2 H 2 {\displaystyle {\ce {HCl + Na -> NaCl + 1/2 H2}}} 場合によっては、分数係数が避けられないこともあります。例えば、標準生成エンタルピーに対応する反応は、単一の生成物の分子が1つ生成されるように記述する必要があります。この場合、 フッ化リチウム の生成のように、反応物の係数の一部が分数になる必要が生じることがよくあります。
リー ( s ) + 1 2 F 2 ( g ) ⟶ LiF ( s ) {\displaystyle {\ce {Li(s) + 1/2F2(g) -> LiF(s)}}}
線形方程式系 各化学元素(または核種、または変化しない部分 または電荷)iについて、その保存要件は 次の数式 で表すことができる。
∑ j ∈ 反応物 1 私 j s j = ∑ j ∈ 製品 1 私 j s j {\displaystyle \sum _{j\,\in \,{\text{reactants}}}\!\!\!\!\!a_{ij}s_{j}\ =\!\!\!\!\!\sum _{j\,\in \,{\text{products}}}\!\!\!\!\!a_{ij}s_{j}} どこ
a ij は物質j の分子中の元素i の原子の数(化学式中の式あたり) であり、s j は物質j の化学量論係数です。これにより、数学的手法を用いて容易に解ける同次線形方程式系が得られます。このような系は常にすべてゼロの 自明な解 を持ちますが、これは我々が関心を持たない解です。しかし、もし他に解が存在するならば、それは無限に存在します。自明でない解はどれも化学反応式を平衡させます。「好ましい」解とは、整数 で、ほとんどが正の化学 量 論係数s j を持ち、 最大公約数 が 1 に等しい解です。
例 前の節の化学反応式の化学量論係数に変数を割り当てて、対応する線形方程式を記述してみましょう。
s 1 CH 4 + s 2 O 2 ⟶ s 3 CO 2 + s 4 H 2 O {\displaystyle {\ce {{\mathit {s}}_{1}{CH4}+{\mathit {s}}_{2}{O2}->{\mathit {s}}_{3}{CO2}+{\mathit {s}}_{4}{H2O}}}} C: s 1 = s 3 H: 4 s 1 = 2 s 4 O: 2 s 2 = 2 s 3 + s 4 {\displaystyle \quad \;\;\;{\begin{aligned}{\text{C:}}&&s_{1}&=s_{3}\\{\text{H:}}&&4s_{1}&=2s_{4}\\{\text{O:}}&&2s_{2}&=2s_{3}+s_{4}\end{aligned}}}
この連立一次方程式のすべての解は、次の形式になります。ここで、rは任意の 実数 です。
s 1 = r s 2 = 2 r s 3 = r s 4 = 2 r {\displaystyle {\begin{aligned}s_{1}&=r\\s_{2}&=2r\\s_{3}&=r\\s_{4}&=2r\end{aligned}}} r = 1 を選択すると、好ましい解が得られます。
s 1 = 1 s 2 = 2 s 3 = 1 s 4 = 2 {\displaystyle {\begin{aligned}s_{1}&=1\\s_{2}&=2\\s_{3}&=1\\s_{4}&=2\end{aligned}}} これは、バランスの取れた化学反応式に対応します。
CH 4 + 2 O 2 ⟶ CO 2 + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}}}
行列法 前節で導入した線形方程式系は、効率的な行列 形式を用いて記述することもできる。まず、反応物と生成物の化学量論係数s j を統一するために、次の量を導入する。
ν j = { − s j 反応物の場合 + s j 製品について {\displaystyle \nu _{j}={\begin{cases}-s_{j}&{\text{for a reactant}}\\+s_{j}&{\text{for a product}}\end{cases}}} 化学量論数 と呼ばれる[ h ] は、線形方程式を簡略化します。
∑ j = 1 J 1 私 j ν j = 0 {\displaystyle \sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0} ここで、J は化学反応式中の反応物と生成物の物質(式)の総数である。
構成行列の行i と列j における値a ijの配置
A =[ 1 1 、 1 1 1 、 2 ⋯ 1 1 、 J 1 2 、 1 1 2 、 2 ⋯ 1 2 、 J ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}a_{1,1}&a_{1,2}&\cdots &a_{1,J}\\a_{2,1}&a_{2,2}&\cdots &a_{2,J}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \end{bmatrix}}} 化学量論的数値を化学量論的ベクトルに配置する
ν =[ ν 1 ν 2 ⋮ ν J ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}\nu _{1}\\\nu _{2}\\\vdots \\\nu _{J}\end{bmatrix}}} 方程式系を単一の行列方程式 として表現できるようにする。
A ν = 0 これまでと同様に、行列方程式を満たすゼロでない化学量論ベクトルν は、化学方程式のバランスをとります。
行列方程式の解の集合は、行列A の核 と呼ばれる線形空間です。この空間が非ゼロベクトル ν を含む、つまり正の次元 J N を持つためには、組成行列A の列が線形独立 であってはなりません。化学方程式のバランスをとる問題は、組成行列のJ N次元の核を決定する問題になります。バランスをとる問題には 、 J N = 1 の場合のみ、唯一の優先解が存在します。J N > 1 の場合、J N個 の 優先解が線形独立である無限個の優先解が存在します。J N = 0 の場合、 使用できない自明な解、つまりゼロベクトルのみが 存在することになります。
バランス調整問題に対するJ N 個の独立した解を迅速に計算する技術が開発されており[ 7 ] [ 8 ] 、これは検査や代数的方法 よりも優れており、決定論的であり、バランス調整問題のすべての解が得られます。
例 同じ化学反応式を再び用いて、対応する行列式を記述してください。
s 1 CH 4 + s 2 O 2 ⟶ s 3 CO 2 + s 4 H 2 O {\displaystyle {\ce {{\mathit {s}}_{1}{CH4}+{\mathit {s}}_{2}{O2}->{\mathit {s}}_{3}{CO2}+{\mathit {s}}_{4}{H2O}}}} C: H: O: [ 1 0 1 0 4 0 0 2 0 2 2 1 ] [ ν 1 ν 2 ν 3 ν 4 ] = 0 {\displaystyle {\begin{matrix}{\text{C:}}\\{\text{H:}}\\{\text{O:}}\end{matrix}}\quad {\begin{bmatrix}1&0&1&0\\4&0&0&2\\0&2&2&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\nu _{1}\\\nu _{2}\\\nu _{3}\\\nu _{4}\end{bmatrix}}=\mathbf {0} } その解は、 r を任意の実数として、次の形式をとります。
[ ν 1 ν 2 ν 3 ν 4 ] = [ − s 1 − s 2 s 3 s 4 ] = r [ − 1 − 2 1 2 ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}\nu _{1}\\\nu _{2}\\\nu _{3}\\\nu _{4}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}-s_{1}\\-s_{2}\\s_{3}\\s_{4}\end{bmatrix}}=r{\begin{bmatrix}-1\\-2\\1\\2\end{bmatrix}}} r = 1 を選択し、最初の 2 行の符号を反転させることで、バランス調整問題に対する最適な解が得られます。
[ − ν 1 − ν 2 ν 3 ν 4 ] = [ s 1 s 2 s 3 s 4 ] = [ 1 2 1 2 ] {\displaystyle {\begin{bmatrix}-\nu _{1}\\-\nu _{2}\\\nu _{3}\\\nu _{4}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{1}\\s_{2}\\s_{3}\\s_{4}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1\\2\\1\\2\end{bmatrix}}}
イオン反応式 イオン方程式とは、電解質を解離した イオン として表した化学方程式のことです。イオン方程式は、水溶液 中で起こる単 置換反応や複分解反応 に用いられます。
例えば、次の沈殿反応では:
CaCl 2 + 2 AgNO 3 ⟶ カリフォルニア ( いいえ 3 ) 2 + 2 塩化銀 ↓ {\displaystyle {\ce {CaCl2 + 2AgNO3 -> Ca(NO3)2 + 2 AgCl(v)}}} 完全なイオン反応式は次のとおりです。
カリフォルニア 2 + + 2 クリー − + 2 農業 + + 2 いいえ 3 − ⟶ カリフォルニア 2 + + 2 いいえ 3 − + 2 塩化銀 ↓ {\displaystyle {\ce {Ca^2+ + 2Cl^- + 2Ag+ + 2NO3^- -> Ca^2+ + 2NO3^- + 2AgCl(v)}}} または、すべての物理状態を含めて:
カリフォルニア 2 + ( アクア ) + 2 クリー − ( アクア ) + 2 農業 + ( アクア ) + 2 いいえ 3 − ( アクア ) ⟶ カリフォルニア 2 + ( アクア ) + 2 いいえ 3 − ( アクア ) + 2 塩化銀 ↓ {\displaystyle {\ce {Ca^2+(aq) + 2Cl^{-}(aq) + 2Ag+(aq) + 2NO3^{-}(aq) -> Ca^2+(aq) + 2NO3^{-}(aq) + 2AgCl(v)}}} この反応では、Ca 2+ イオンと NO 3 − イオンは溶液中に残り、反応には関与しません。つまり、これらのイオンは化学反応式の反応物側と生成物側の両方で同一です。このようなイオンは反応に関与しないため、傍観イオン と呼ばれます。正味イオン 反応式とは、傍観イオンを除去した完全なイオン反応式のことです。[ 9 ] 前述の反応の正味イオン反応式は次のとおりです。
2 クリー − + 2 農業 + ⟶ 2 塩化銀 ↓ {\displaystyle {\ce {2Cl^- + 2Ag+ -> 2AgCl(v)}}} または、簡略化された バランスの取れた形で、
農業 + + クリー − ⟶ 塩化銀 ↓ {\displaystyle {\ce {Ag+ + Cl^- -> AgCl(v)}}} 中和反応 または酸 塩基反応では、正味イオン反応式は通常次のようになります。
H + ( アクア ) + おお − ( アクア ) ⟶ H 2 O ( l ) {\displaystyle {\ce {H+ (aq) + OH^{-}(aq) -> H2O(l)}}} 上記の水分子に加えて沈殿物を生成する酸塩基反応がいくつかあります。例えば、水酸化バリウム とリン酸 の反応では、水だけでなく不溶性の塩であるリン酸バリウム も生成されます。この反応では傍観イオンが存在しないため、正味イオン反応式は完全イオン反応式と同じになります。
3 バ ( おお ) 2 + 2 H 3 PO 4 ⟶ 6 H 2 O + バ 3 ( PO 4 ) 2 ↓ {\displaystyle {\ce {3Ba(OH)2 + 2H3PO4 -> 6H2O + Ba3(PO4)2(v)}}} 3 バ 2 + + 6 おお − + 6 H + + 2 PO 4 3 − ⏟ リン酸塩 ⟶ 6 H 2 O + バ 3 ( PO 4 ) 2 ↓ ⏟ バリウム リン酸塩 {\displaystyle {\ce {{3Ba^{2}+}+{6OH^{-}}+{6H+}}}+\underbrace {\ce {2PO4^{3}-}} _{\ce {phosphate}}{\ce {->{6H2O}+\underbrace {Ba3(PO4)2(v)} _{barium~phosphate}}}} 炭酸塩 と酸が反応する二重置換反応の正味イオン反応式は次のようになる。
2 H + + CO 3 2 − ⏟ 炭酸飲料 ⟶ H 2 O + CO 2 ↑ {\displaystyle {\ce {2H+}}+\underbrace {{\ce {CO3^2-}}} _{{\ce {carbonate}}}{\ce {-> H2O + CO2 (^)}}} すべてのイオンが「傍観イオン」である場合、反応は起こらず、正味のイオン反応式はゼロとなる。
一般に、z j が j 番目の 分子の基本電荷の倍数である場合、電荷中性は次のように表すことができます。
∑ j = 1 J z j ν j = 0 {\displaystyle \sum _{j=1}^{J}z_{j}\nu _{j}=0} ここで、ν j は上述の化学量論係数である。z j は 上述 のa ij 行列 に追加の行として組み込むことができ[ 7 ] [ 8 ] 、適切にバランスのとれたイオン方程式は、次の式にも従う。
∑ j = 1 J 1 私 j ν j = 0 {\displaystyle \sum _{j=1}^{J}a_{ij}\nu _{j}=0}
注記 ↑ 化学量論数 と呼ばれる関連量と混同しないでください。 ↑ 合成効率の定量化である収率(化学) と混同しないように。 ↑ 記号 ⇄ は、1884 年にオランダの化学者ヤコブス・ヘンリクス・ファン・ト・ホッフ によって提案されました。ファン・ト・ホッフは、反応が完結しない反応を「限定反応」と呼びました。彼は次のように書いています(フランス語からの翻訳): [ 3 ] さて、プファウンドラー氏は、観測された限界を2つの相反する反応の結果とみなすことで、これら2つの現象を1つの概念に統合しました。引用した例では、一方の反応は海塩(すなわちNaCl)と硝酸の生成に、もう一方の反応は塩酸と硝酸ナトリウムの生成に向かいます。この考察は実験によって検証されており、限定反応の最終状態を特徴づけるために用いられる「化学平衡」という表現を正当化します。私はこの表現を次の記号で翻訳することを提案します。 HCl + NO 3 Na ⇄ NO 3 H + Cl Na。 そこで、この場合、化学反応式の「=」記号を「⇄」記号に置き換えます。この記号は、単に等号を表すだけでなく、反応の方向も示しています。これは、化学反応が2つの反対方向に同時に起こることを明確に表しています。 ↑ 表記法↽ − − ⇀ {\displaystyle {\ce {<=>}}} 1902年にヒュー・マーシャル によって提案された。 [ 4 ] ↑ 三角形(△)は元々、錬金術における火のシンボルでした。 ↑ この式は、光子のエネルギーに関するプランク方程式 E = h ν から来ています。ギリシャ文字のν ("nu") は、誤ってラテン文字のv ("vee") に置き換えられることがあります。 ↑ 負の化学量論係数は、化学反応式の誤った側に物質が置かれていることを示します。 ↑ 同等のアプローチは、化学量論係数s jを化学量論数 ν j に 置き換える代わりに、反応物の a ij の符号を反転することです。
参考文献 1 2 IUPAC 、 化学 用語集 、第5版(「ゴールドブック」)(2025年)。オンライン版:(2006年 ~ )「 化学反応式」。doi : 10.1351/goldbook.C01034↑ Crosland, MP (1959). 「ウィリアム・カレンとジョセフ・ブラックの講義における化学『方程式』としての図の使用」. Annals of Science . 15 (2): 75–90 . doi : 10.1080/00033795900200088 . ↑ ヴァント・ホフ、JH (1884)。 Études de Dynamique Chemique [ 化学力学の研究 ] (フランス語)。オランダ、アムステルダム: Frederik Muller & Co. pp. 4–5 . または M. Pfaundler が、問題を解決するために ... s'accomplit en meme temps dans deux sens opposés. ↑ マーシャル、ヒュー (1902)。「化学表記で使用するための等号の修正案」。 エジンバラ王立協会 紀要 。24 : 85–87。doi : 10.1017 / S0370164600007720 。 ↑ http://bbc.co.uk/bitesize/guides/z92gng8/revision/6 ↑ 「なぜ反応式にマイナス記号(-)が使えないのですか?」 。 Stack Exchange 。2017年9月20日。Nicolau Saker Netoによる回答。 2021年6月15日に オリジナル からアーカイブされました。 1 2 Thorne, Lawrence R. (2010). "化学反応方程式のバランスをとるための革新的なアプローチ: 行列零空間を決定するための簡略化された行列反転手法". Chem. Educator . 15 : 304–308 . arXiv : 1110.4321 . 1 2 Holmes, Dylan (2015). "The null space's insight into chemical balance" . Dylan Holmes . 2017年 10月10日 取得 . ↑ ジェームス・E・ブレイディ;フレデリック・セネーゼ。ニール・D・ジェスパーセン(2007年12月14日)。 化学: 物質とその変化 。ジョン・ワイリー&サンズ。 ISBN 9780470120941 。LCCN 2007033355。