化学反応式

化学反応式（かがくはんのうしき、）とは、物質の化学反応を表現する為の図表である。通常、化学反応式中で物質は化学式を用いて表され、物質の間での化学量論的な関係を表したり、反応機構や化学反応前後での物質の構造変化を表現したりする。最初の化学反応式はジャン・ベガンによって表された。

概要 化学反応では反応前の化学物質を反応物 (reactant)、反応後の化学物質を生成物 (product)といい、矢印記号（通常の順方向の反応では「→」）で区切られ、個々の物質の化学式はプラス記号で区切られる。個々の物質の化学式には、IUPAC命名法を使用し、電子はを用いて表す（詳細はIUPAC命名法を参照）。 化学反応式の左辺を原系または反応系、右辺を生成系と呼ぶことがある。生成物は右側に書く。

具体例 例えば反応物である HCl（塩酸） NaOH（水酸化ナトリウム） が化学反応して生成物である H2O（水分子） NaCl（食塩） ができあがる状況を示した化学反応式は

と表記される。

化学反応式の基本定義 IUPACでは、化学反応式を代数的に以下のように定義している。

：反応に関与する化学種（原子、分子、イオンなど）

：化学量論数（反応物は負、生成物は正の値をとる）

この式は、反応によって新しく生み出された物質と、消費された物質の収支は完全に合い、全体としてプラスマイナスゼロになるということを表している。

一般的な記号 反応物と生成物を区切る記号は、巨視的・微視的レベルの違いや、さまざまなタイプの反応を区別するためにIUPACで明確に定義されている。

「→」- 微視的レベルでの素反応、もしくは巨視的レベルでの正味の正反応を示すために使用される。 「=」- 巨視的レベルでの化学量論的関係（化学量論式）、または正味の反応を示すために使用される。 「⇄」「<=>」 - 両方向の反応、または化学平衡を示すために使用される The notation was proposed in 1884 by the Dutch chemist Jacobus Henricus van 't Hoff. See: Van 't Hoff called reactions that didn't proceed to completion "limited reactions". From pp. 4–5: "Or M. Pfaundler a relié ces deux phénomênes … s'accomplit en même temps dans deux sens opposés." (Now Mr. Pfaundler has joined these two phenomena in a single concept by considering the observed limit as the result of two opposing reactions, driving the one in the example cited to the formation of sea salt [i.e., NaCl] and nitric acid, [and] the other to hydrochloric acid and sodium nitrate. This consideration, which experiment validates, justifies the expression "chemical equilibrium", which is used to characterize the final state of limited reactions. I would propose to translate this expression by the following symbol: HCl + NO3 Na NO3 H + Cl Na. I thus replace, in this case, the = sign in the chemical equation by the sign , which in reality doesn't express just equality but shows also the direction of the reaction. This clearly expresses that a chemical action occurs simultaneously in two opposing directions.)。 なお、「←→(両頭矢印)」については、共鳴構造を示すために使用される が、反応式に使用すると混同を招くため、IUPACでは反応に使用すべきではないとしている。

反応によって気体が発生する場合、その気体の化学式の右側に「↑」を示し、また析出（沈殿）する物質の化学式の右側には「↓」を示す。反応にエネルギーが必要な場合は、矢印の上に示す。大文字のギリシャ文字の（デルタ）The symbol is more properly denoted as a simple triangle (△), which was originally the alchemical symbol for fire.を矢印の上に示し、熱エネルギーが反応に関係することを示す。また、光や放射線によるエネルギーの関与を示すためにThis symbol comes from the Planck equation for the energy of a photon, . It is sometimes mistakenly written with a 'v' ("vee") instead of the Greek letter '' ("nu")を使用することがある。

例

化学平衡である事を強調したい場合は、化学反応式の矢印は「->」ではなく「<=>」にする。 化学式に付加する記号 化学式に物理的状態（凝集状態）を表す場合、化学式の直後に括弧を用いて立体（ローマン体）の記号を付加する 。IUPACでは以下のような記号が定義されている。

（s） - 固体 （l） - 液体 （g）または (vap) - 気体または蒸気 （aq） - 水溶液を示す (aq, $) - 無限希釈水溶液 (cr) - 結晶 (a) または (ads) - 表面に吸着した種 (sln) - 溶液 (f) - 流体相

化学反応式と関連するものに熱化学方程式やイオン反応式、半反応式などがある。

IUPACが定義する化学反応式 IUPACでは、化学反応式をどのスケールで反応を見ているかによって、2つに分類する。

微視的レベルの式 微視的レベル（Microscopic level）の式とは、個々の原子、分子、ラジカルが関与する実際のイベントを示した式である。分子レベルにおいて1段階で起こる反応であり、反応は常に左から右への一方向として定義され、単純な矢印「→」を用いて記述される。

巨視的レベルの式 巨視的レベル（Macroscopic level）の式とは、バルク（巨視的）な物質の収支や、系全体の状態を示す式である。巨視的レベルの式には、化学量論式、正味の正反応 (Net forward reaction)、両方向の反応 、平衡に関わる式が含まれる。

化学量論式 化学量論式 (Stoichiometric equation)とは、巨視的レベルの量的関係を化学量論に基づいて化学反応式で表したものである。各物質を組成式で表すのが一般的である。このとき、化学反応式における各物質の係数は「化学量論数 (stoichiometric number)」と呼ばれ、IUPACの定義では生成物に対しては正の値、反応物に対しては負の値をとる。

倍数比例の法則と定比例の法則に従い、反応式中の組成式には係数が付与される。係数には既約となる整数（ただし1の場合は無表記）が一般的に用いられ、右辺と左辺の各原子について種類と総数はそれぞれ等しくしなければならない。ただし、標準生成エンタルピーなどを定義する場合には、係数には整数のほか、基準とする物質に合わせて分数（1/2など）を用いることも許容される。

例えば、炭素 (C) を用いて酸化銅(II)(CuO) を還元し、二酸化炭素 (CO2) と銅 (Cu) を生成する反応は、以下のよう表される。

（例）2CuO + C -> 2Cu + CO2

化学反応に伴うエネルギー（熱）の出入りなどの熱力学的な変化を記述する場合も、この化学量論式が基準となる。IUPACの規定では、等号（=）で結ばれた化学量論式の右側に、標準反応エンタルピー（）など等の物理量をカンマや空白で区切って併記する形式がとられる。なお、燃焼反応や生成反応を表す際は、着目する物質の化学量論数がそれぞれ −1 や +1 となるように反応式を記述する。

（例）

特定の分野や教育課程で用いられる反応式

半反応式（イオン電子反応式） 半反応式とは、酸化還元反応において、酸化反応と還元反応をそれぞれ独立した式として記述し、電子（ を）の授受を明示する式である。全体の酸化還元反応式を導き出すために使用される。IUPACの規定では、電気化学における「電極反応（または半電池反応）」として扱われ、常に還元方向で記述することが推奨されている。

（例）

熱化学方程式 高校化学などでは長らく、発生・吸収する熱量（KJ）を式の右辺に直接組み込み、両辺を等号（=）で結ぶ日本独自の「熱化学方程式（ねつかがくほうていしき、）」が教えられてきた。この式では、化学反応におけるエネルギー収支を表記し、エネルギー収支は右辺に式量当りの発生熱量を示す。したがって、発熱反応の場合は正の値、吸熱反応の場合は負の値で示される。

しかし、国際基準との乖離や高大接続の観点から、2022年（令和4年）度実施の新学習指導要領よりこの記述は廃止された。現在では、矢印（→）を用いた反応式の後にエンタルピー変化 （ ）を付記する「エンタルピー変化を付した反応式へと移行している。

（例）

なお、厳密なIUPACの推奨（国際規格）では、上述の通り矢印（→）ではなく等号（=）を用いた化学量論式に対して物理量を併記する形式となる。

イオン反応式 水溶液中の反応などで、実際に化学変化に関与しているイオンのみを記述し、反応に関与しないイオンを省略した式。沈殿反応や中和反応の本質的な変化を理解するために用いられる。IUPACの分類においては独立した式のカテゴリーではなく、対象となる化学種がイオンとして記述されているものとして扱われる。式の両辺で原子の数だけでなく、電荷の総和も等しくなるように係数が調整される。

（例）

光化学反応式 光エネルギー（光子）を吸収して起こる反応を示す式。光のエネルギーはプランク定数 と振動数 を用いてと表記され、反応物として式の左辺に組み込まれるか、矢印の上に記述される。

（例）

脚注

関連項目 IUPAC命名法 定比例の法則 倍数比例の法則 化学反応の一覧 Stoichiometry Add-In for Microsoft Excel for calculation of molecular weights, reaction coëfficients and stoichiometry.

外部リンク