概要
ある物質(1つでも複数でもよい)の原子や電子が入れ替わったり、電子そのものが増減したりすることで別の物質に変化することを化学変化といい、その過程を化学反応という。また、化学反応を化学式を用いて表した式を化学反応式という。反応前の原料ともいえる物質は反応物、反応後に新たにできた物質は生成物という。例えば水素を燃やして水になる変化は化学変化だが、水が蒸発して水蒸気になる変化は化学変化ではなく状態変化である。
反応に必要である(厳密には活性化エネルギーという反応時に必要なエネルギーを下げる役割を持つ)が、反応そのものの影響は受けない物質を触媒といい、例としては過酸化水素水を水と酸素に分解するときに加える二酸化マンガンが有名。
反応物から生成物ができる反応のみが起こる反応を不可逆反応といい、その逆向きの反応も起こり得る反応を可逆反応という。燃焼や気体が発生する反応は不可逆反応だが、水素と窒素を化合させてアンモニアを得る反応は可逆反応である。可逆反応については高校化学の化学平衡の分野で詳しく学ぶ。
特に有機化学の分野では人名の付いた反応(人名反応)も多く、大学の化学系の学科で詳しく学ぶ。
化学反応の種類
主なものを列挙する。
- 化合
複数の物質が集まって1つないし最初の物質の数以下が生成する反応。後者で最も主要な生成物を主生成物、その他の物質を副生成物という。
- 分解
化合とは逆反応にあたる。1つの物質から複数の物質が生成する反応。反応を起こすために水などを加える場合もあり、水の場合は加水分解反応と呼ばれる。
- 酸化還元反応
物質の酸化数が変化する反応。後の項目で詳しく記述する。混ぜるな危険で有名な塩素が発生する化学反応も酸化還元反応である。
- 中和反応
酸性水溶液と塩基性水溶液とを混合して水と塩(えん)ができる反応。後の項目で詳しく記述するが、酸と塩基についてはそれぞれの項目を参照。
酸化還元反応
次の表に示すような変化があった時、酸化あるいは還元と定義する。
| 変化の要因 | 酸化 | 還元 |
|---|---|---|
| 酸素 | 受け取った | 失った |
| 水素 | 失った | 受け取った |
| 電子 | 失った | 受け取った |
| 酸化数 | 増える | 減る |
相手を酸化させやすい物質(自分が還元されやすい物質)を酸化剤といい、その逆の物質を還元剤という。なお、混合する物質によって酸化剤にも還元剤にもなりうる物質もある。
中和反応
中和反応では水素イオン(プロトン)の授受が起きる。具体的には酸が電子を放出し、塩基がそれを受け取る。中和によって生じる塩の種類の例を以下の表に示す。
| 酸と塩基の組合せ | 正塩 | 酸性塩 | 塩基性塩 |
|---|---|---|---|
| 説明 | 酸性塩でも塩基性塩でもない塩 | 酸のHが残っている塩 | 塩基のOHが残っている塩 |
| 強酸と強塩基 | NaCl、KNO3、CaCl2 | NaHSO4 | CaCl(OH) |
| 強酸と弱塩基 | NH4Cl、CuSO4 | なし | MgCl(OH)、CuNO3(OH) |
| 弱酸と弱塩基 | CH3COONa、Na2CO3 | NaHCO3 | なし |
| 弱酸と弱塩基 | CH3COONH4 | NH4HCO3 | なし |
化学反応式
化学反応を化学式を用いて表した式。一般的な反応式のほか、イオン反応式や半反応式というものも存在する。反応式では反応物を左側、生成物を右側に書き、間を矢印で結ぶ。不可逆反応の場合は右向きの矢印、可逆反応の場合は上に右向き、下に左向きの矢印を書く。また、生成物で気体が発生する場合は、その物質の化学式の右側に上矢印、水溶液中に沈殿が生じる場合は下矢印を添えることもある。
化学反応式の例
- 水素の燃焼による水の生成
2H2+O2→2H2O
- アンモニアの合成
3H2+N2⇄2NH3
- 実験室における塩素の生成
MnO2+4HCl→MnCl2+2H2O+Cl2↑
- 石灰水と二酸化炭素との反応
Ca(OH)2+CO2→CaCO3↓+H2O
- 酸化銀の熱分解
2Ag₂O→4Ag+O₂
HCl+NaOH→NaCl+H₂O
