化学反応式の係数をどうそろえる？

反応式の係数をそろえる必要がある理由

化学反応式は、反応を簡潔に表す方法です。最初の物質は反応物とよばれ左側に、新しくできる物質は生成物とよばれ右側に書きます。矢印は「反応して〜になる」を意味します。

反応では、原子は生まれたりなくなったりせず、相手を入れ替えるだけです。これが質量保存の法則で、1700年代後半にフランスの化学者アントワーヌ・ラボアジエが、慎重な実験で示しました。左側の原子はすべて右側にもなければならないので、各元素の原子の数も、全体の質量も、変わりません。

鉄則：係数を変え、添え字は変えない

係数は、化学式の前に置く数です。その物質の分子や単位がいくつ関わるかを表すので、係数を変えるのは、その物質の量を変えるだけのことです。

添え字を変えることは決して許されません。物質が別のものになってしまうからです。H₂O は水ですが、H₂O₂ は過酸化水素で、まったく別の化学物質です。

ステップごとの方法

ステップ1：すべての反応物と生成物の正しい化学式を書く。ステップ2：両側で各元素の原子を数える。ステップ3：係数を加えて、1つずつ元素の数をそろえる。両側でそれぞれ1つの物質にだけ現れる元素から始める。O₂ や Fe のような単体は最後に調整すると、係数を変えてもほかの元素を乱さないので、たいてい便利である。ステップ4：すべての元素をもう一度数える。ステップ5：係数ができるだけ小さい整数になっているか確かめる。

例1：水をつくる

H₂ + O₂ → H₂O から始めます。左側には H 2個と O 2個がありますが、右側には H 2個と O 1個しかありません。右側の酸素原子を2個にするため、H₂O の前に2を置きます。H₂ + O₂ → 2H₂O。

これで右側には H が4個ありますが、左側は2個だけなので、H₂ の前に2を置きます。2H₂ + O₂ → 2H₂O。確認：両側とも H 4個と O 2個です。係数がそろいました。

質量も一致します。H₂ 2モル（4.032 g）と O₂ 1モル（31.998 g）を合わせると36.030 gになり、H₂O 2モルの質量（2 × 18.015 = 36.030 g）とちょうど同じです。

例2：メタンの燃焼

メタン CH₄ は天然ガスの主成分です。燃えると酸素と反応して、二酸化炭素と水ができます。CH₄ + O₂ → CO₂ + H₂O。

炭素はすでに両側で1個ずつそろっています。水素はそろっていません。左側は4個、右側は2個なので、2H₂O と書きます。次に右側の酸素を数えます。CO₂ の2個と 2H₂O の2個で4個です。左側を酸素4個にするため、2O₂ と書きます。係数をそろえた式は CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O で、両側とも C 1個、H 4個、O 4個です。

例3：鉄がさびる

鉄は酸素と反応して酸化鉄(III)になります。Fe + O₂ → Fe₂O₃。実際のさびには水も含まれますが、この簡単な式で主な反応がわかります。

ここでは反応物がどちらも単体なので、やっかいなほう、酸素から始めます。O₂ には酸素原子が2個、Fe₂O₃ には3個あります。2と3のどちらでも割り切れる最小の数は6なので、3O₂（酸素原子6個）と 2Fe₂O₃（酸素原子6個）と書きます。これで右側の鉄原子は 2 × 2 = 4個になるので、左側に 4Fe と書きます。係数をそろえた式は 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ で、両側とも Fe 4個、O 6個です。