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１｜化学反応式
１ 化学変化の前後における物質の質量
中学校１学年では，物質が固体，液体，気体と状態変化したとき，体積は変わるが質量は変わらないことを学んだ。これを原子のモデルで考えると，液体の水が蒸発して気体の水（水蒸気）になったとき，分子どうしの距離が広がるが，水分子そのものは変化せず，水分子の数も変化しないと説明できる。
一方，探究3では，水分子そのものがばらばらになり，水素分子と酸素分子に分かれたといえる。このときの化学変化の前後の質量について考えてみよう。
図1の①から②に変化したとき，③から④⑤と変化したとき，前後で原子の数が変わらないことに注意しましょう。
図1 水の状態変化と分解
図2 気体が発生する化学変化
二酸化炭素や水素を発生させる実験も化学変化を利用していたんだね。
このとき，「発生させる前からあった物質」「発生した物質」「残った物質」の質量には関係があるのかな。
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物質が原子でできていると考えたとき，2種類の異なる物質による化学変化と質量の関係は，どのように科学的に探究できるだろうか。
探究５ 化学変化と質量
図3の化学変化は「沈殿」ができます。沈殿とは，水に溶けないで容器の底に沈んでたまった固体です。図4の化学変化は，気体が発生します。
化学変化の前後における物質全体の質量はどのように変化するか。原子の性質から仮説を立て，実験で確かめる。
沈殿ができたということは，その分質量が増えたのかな？
化学変化に関わる物質はこうなります。
化学変化の前後で物質が変化するから，質量をもらさず測定しなければいけないね。図4の化学変化は，発生した気体がにげてしまっている。
ふたをして気体をとどめておけないかな。
実験前と実験後で，容器ごと測定すると比較しやすいね。
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実験A 沈殿ができる化学変化
準備
硫酸ナトリウム水溶液（5%），塩化バリウム水溶液（5%），カップ（２），電子てんびん，保護めがね
実験前後での質量をはかる
実験B 気体が発生する化学変化
準備
塩酸（5%），石灰石（1.5g以下），ペットボトル（炭酸飲料用，500cm³），薬包紙，電子てんびん，保護めがね
実験前後での質量をはかる
注意!!
石灰石を入れたら，ふたがよくしまっていることを確認する。
ふたをあけるときは，ゆっくりゆるめる。ペットボトルの中から強い力がはたらいていて，ふたが飛んでしまうことがある。
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ポイント
ポイント
化学変化の前後での質量の変化は，原子の性質からどのように説明できるか。
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探究５ 結果から考察する
実験A
- 2つの水溶液を反応させたら，白い沈殿ができた。
- 化学変化の前後で，容器全体の質量は変化しなかった。
実験B
- 化学変化の前後で，容器全体の質量は変化しなかった。
ふたをゆるめたら気体がふき出した。その状態で容器全体の質量をはかったら，質量が減っていた。
表1 探究5の結果例
結果から，化学変化によって生じる物質が固体であっても気体であっても，化学変化の前後で全体の質量は変わらないことがわかる。
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２ 質量保存の法則
探究5の結果，沈殿ができる化学変化でも，気体が発生する化学変化でも，化学変化の前後で質量が変化しないことがわかる。これを【質量保存の法則】という。
３ 化学反応式
原子の性質( → p.16 図6)や質量保存の法則から，化学変化の前後では，原子がなくなったり，新しくできたりするのではなく，原子が結びつく組み合わせが変わっているだけだと考えることができる（図5）。
原子はなくなったり，新しくできたりしないのだから，質量保存の法則は当たり前のように思えます。しかし，原子の考えがまだない時代にはそうではありませんでした。p.41「理路整然」で示したように，質量を精密に調べる実験の積み重ねによって得られた法則です。
図5では，反応前の原子はA，B，C，Dが1個ずつ，反応後もA，B，C，Dが1個ずつだね。原子の質量はそれぞれ決まっているのだから，質量は保存されています。
物質が結びついたり，分解したりするような化学変化について，化学式を用いて表した式を【化学反応式】という。化学反応式では，原子の種類と数が化学変化の前後で合うようにする。
＜鉄と硫黄が結びつく化学反応式＞
この化学反応式は，左右の原子の種類だけでなく，数も合っている。矛盾がないね。
同じようにして，水の電気分解を表してみました。あれ？右側の酸素原子の数が増えました…
もし，→の左右の原子の数が合わなければ，「原子が，化学変化でほかの原子に変わったり，なくなったり，新しくできたりした」ことになってしまいますね。つまりその化学反応式は直す必要があります。（次ページ）
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＜水の電気分解の化学反応式＞
① それぞれの物質を原子カードで表す。
⇒ 左側と右側の原子の数が等しいか確かめる。
酸素原子の数が合わないね。
② 左側の酸素原子が1個たりないので，数を合わせるために左側に水分子を1個増やす。
⇒ 左側と右側の原子の数が等しいか確かめる。
酸素原子の数は合ったけど，今度は水素原子の数が合わない。
この化学反応式は，水分子2個が分解して，水素分子2個と酸素分子1個ができることを表しています。p.27の探究3の結果では，水を電気分解したとき，発生した水素と酸素の体積の比は2 : 1でした。これは，水素分子と酸素分子の数の比が2 : 1だったからです。
● 化学反応式では，⇒の左側に変化前の物質を，右側に変化後の物質を書く。
● 化学反応式の左側と右側では，原子の種類や数は同じでなければならない。
化学反応式が表していること
① 化学変化前の物質と，化学変化後の物質がわかる。
② 化学変化前の物質と，化学変化後の物質の分子や原子の数の関係がわかる。
図6 化学反応式を書くときの決まり
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４ 化学反応式と質量
化学反応式と質量の関係について，探究6を行い，より細かく調べていこう。酸化がかかわる化学変化の前後での質量について，原子の性質から，どのように科学的に探究できるだろうか。
探究６ 酸化物の質量
化学変化と質量の関係をさらにくわしく調べましょう。図7のように銅粉（銅の粉末）を加熱して，化学変化の前後で質量をはかります。銅が酸化されてできる酸化銅の化学式はCuOです。
探究１では鉄の酸化の実験をしましたね。あのときは，加熱後に質量が増えました。同じように，銅粉でも質量は増えますよね。
加熱すると，質量は際限なく増えるのかな？
金属を加熱したとき，化学変化の前後の物質の質量にはどのような関係があるか。化学反応式から考える。
Cu原子にも，O原子にも質量があるんだよね。その結びつき方から質量に対する仮説が立てられないかな？
酸化銅の化学式がCuOだということは，銅原子と酸素原子は１：１で結びついているという意味だね。
実験方法は探究１が参考になるね。まず金属の粉末をはかり取って，それを加熱したあと質量をはかろう。
わずかな質量の変化を知りたいから，銅の粉末がこぼれないように注意しないと結果が正確でなくなってしまう。
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基本操作 誤差を意識する
私たちは，ものさしで物体の長さをはかったり，てんびんで物体の質量をはかったりします。実はこのとき，本当の値ははかることができません。測定器の精度や，人による計器の読み取りの精度など，いろいろな原因によって，測定値には不正確さが入ってきます。測定値と真の値の差を誤差といいます。
理科では，目盛りの読み方として「最小目盛りの1/10まで数値を読み取る」と決めています。たとえば1 mm目盛りのものさしで，図のように木材の長さをはかり，255.8 mmという測定値を得たとしましょう。255.8という測定値は，ものさしの目盛りを読み取って得た有意義な数字ですから，これを有効数字といいます。この場合，有効数字は4桁であるといい，最後の8という数字には，目分量で読み取ったため，誤差がふくまれることになります。
有効数字は桁数で表現します。たとえば，ある棒の長さをcmの単位まではかり，350 cmという測定値を得たとします。この測定値をm単位で表し，かつ有効数字が3桁であることを示したいときは，3.50 mと書きます。
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化学反応式で考えるとこういうことだね。
マグネシウムの場合は，このように考えることができるね。
化学式から考えると，酸化銅ができるとき，酸素がたくさん結びつくわけではなさそう。
たとえまわりに酸素分子がたくさんあっても，銅原子１つには，酸素原子１つしか結びつかないのかな。このとき，全体の質量は，どのように変化すると予想できるかな。
図 8 酸素が結びつく化学変化の考え方
数の意味のちがいをもう一度確認しておきましょう。
準備
銅粉，ステンレスの皿，るつぼばさみ，薬さじ（ステンレス製），ぞうきん，電子てんびん，加熱器具
実験A くり返し加熱し，質量の変化を調べる
① 質量をはかる
ステンレスの皿の質量をはかったあとに，たとえば銅粉を0.6g はかり取る。
注意!!
加熱後は，三脚，三角架，ステンレスの皿が熱くなっているので，十分に冷やす。
② 加熱する
銅粉を皿に広げ，強火で加熱する。黒くなるまで薬さじでかき混ぜながらよく加熱する。
③ 加熱後の質量をはかる
色が変化したら加熱をやめ，よく冷やしてから，皿全体の質量をはかる。②と③の操作をくり返し，全体の質量が一定になるまで続ける。
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実験B 質量を変えて加熱する
① 質量をはかる
ステンレスの皿の質量をはかったあとに，班ごとに銅粉を0.2g，0.4g，…と質量を変えてはかり取る。
② 加熱する
銅粉を皿に広げ，強火で加熱する。黒くなるまで薬さじでかき混ぜながらよく加熱する。
③ 加熱後の質量をはかる
色が変化したら加熱をやめ，よく冷やしてから，皿全体の質量をはかる。②と③の操作をくり返し，全体の質量が一定になるまで続ける。
ポイント
A はかり取った銅粉について，加熱をくり返したときの質量の変化を記録する。
ポイント
B はかり取った銅粉の質量ごとに，加熱をくり返して質量が変化しなくなったときの値を記録する。
ポイント
・ A から，加熱する回数と加熱後の物質の質量の変化について何がいえるか。
・ B から，銅の質量と結びついた酸素の質量の関係を求める。
● 化学変化の前後での質量の変化は，化学反応式からどのように説明できるか。
別法
① ステンレスの皿の質量をはかったあとに，マグネシウム粉末を0.2g，0.4g，…と質量を変えてはかり取る。
② マグネシウム粉末を皿に広げ，強火で加熱する。
注意!! マグネシウム粉末を加熱すると強い光が出るので，直視しないようにする。
③ 燃焼が終わったら加熱をやめ，よく冷やしてから，皿全体の質量をはかる。②と③の操作をくり返し，全体の質量が一定になるまで続ける。
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探究６ 結果から考察する
「結びついた酸素の質量」は，酸化物の質量と金属の質量の差から求めました。
質量が変わらなくなるまで加熱をくり返し，小数第二位まではかることのできる電子てんびんを使ったときの結果例である。また，この表にはマグネシウムの結果例も示している。
表 2 探究 6 実験 B の結果例
（a）金属の質量と酸化物の質量の関係
図10 表２をグラフにした例
- 銅の酸化の化学反応式(2Cu + O2 → 2CuO) から，銅原子１つに結びつく酸素原子は１つであるといえる。図9 のように，銅の粉末を加熱しても質量が際限なく増えるわけではないことは，化学反応式の考えと一致する。
- 図10 から，金属の質量と結びついた酸素の質量は比例していることがわかる。つまり，金属と酸素が結びつくとき，それぞれの質量の比は一定である。
自分たちの結果が，図10とちがいます…
その場合は，なぜ結果がちがったのか考えてみましょう。
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探究6で，金属とその酸化物の質量の比は一定であり，これは一定の質量の比の酸素と結びついたことを表している。一般に，物質Aと物質Bが結びついて化合物Cができるときは，AとBはいつも一定の質量の比で結びつく❶。
一定の質量の比で結びつくべき物質Aと物質Bの質量のいずれかに過不足があれば，多い方の物質が化学変化しないで残る（p.48「探究を深める理路整然」）。
５ さまざまな化学変化と化学反応式
これまであつかってきた化学変化，それ以外の化学変化も，化学反応式で表現することができる。図11〜15で，具体的な現象と化学反応式を理解しよう。
酸素を入れて密閉したフラスコの中で炭（炭素C）を燃焼させたところ，炭はほぼなくなった。
どの化学変化でも，質量保存の法則が成り立っています。
炭素と酸素が結びついて，二酸化炭素が発生します。二酸化炭素は，炭素原子１個と酸素原子２個からできていますね。
図11 炭素の燃焼
❶ 物質Aと物質Bをつくっている原子どうしが，決まった割合で結びつくためである。
※このウェブページは中学校理科2年の学習内容です。<2年p.50>
水素と酸素を2 : 1の体積の割合で混合した気体を密閉した袋に入れる。そして点火装置で点火すると，一瞬，爆発音がして，袋の中が水滴でくもる。
水素に酸素が激しく結びつくから，これも燃焼といえるね。水の電気分解と逆の反応だね。
炭酸水素ナトリウムに塩酸を加えると気体が発生する。気体は石灰水を白くにごらせることから二酸化炭素であることがわかる。また，炭酸水素ナトリウムが完全に見えなくなってから，水を蒸発させると塩化ナトリウムの結晶が現れる。
炭酸水素ナトリウムは，この反応以外に，探究4で調べた加熱による分解もできましたね。
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塩化銅CuCl₂の水溶液に電流を流すと，一方の電極には赤色の銅が付着する。もう一方からは，特有の刺激臭がある気体の塩素Cl₂が発生する。
この電気分解については，３年生でくわしく学びます。
どの化学反応式も，矢印の左と右で原子の数が同じになっています。
中学校の範囲では，このような化学反応式をあつかいますが，もっとさまざまな化学反応式があります。
発展
スチールウールの燃焼では，主に２種類の化学変化が起こる。
3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄
2Fe + O₂ → 2FeO
砂糖（ショ糖）が，完全に酸素と結びついて燃焼したときの化学反応式は，下のように表すことができる。
C₁₂H₂₂O₁₁ ＋ 12O₂ → 12CO₂ + 11H₂O
図15 その他の化学変化のおさらい
ニュース
※科学ニュースの更新は2025年4月を目処にはじまります。
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- 【図鑑を見ても，生物の名前が分からないのはなぜ？】 2023年3月1日生物のことを深く知りたい，と思ったとき，多くの場合，その生き物の名前を調べること（同定）が必要となります。 生物に詳しい人は，見れば「なんとなく」あの仲間だな，ということが分かってしまい，それを言語化することが難しい。一方で分からない人からすると，どこを見ればいいのか，差はあるがこれは個体差なのか種間の差なのか…無数のつまづきがあって，結局「分からない」となってしまいがちです。 どのようにして「同定」という作業がなされているかを丁寧に言葉にしたこの本は，「科学」の見方・考え方を獲得する過程が言語化されているといえるでしょう。 『図鑑を見ても名前がわからないのはなぜか？ どうしても名前を知りたい！ 進め！同定の道』 須黒達巳 著 ベレ出版 2021年12月 ￥2,200（税込） ISBN：978-4-86064-676-9 もと記事リンク