プリンキピア

第4章化学反応の量的関係

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Chemical equations are symbolic representations of chemical and physical changes. Formulas for the substances undergoing the change (reactants) and substances generated by the change (products) are separated by an arrow and preceded by integer coefficients indicating their relative numbers. Balanced equations are those whose coefficients result in equal numbers of atoms for each element in the reactants and products. Chemical reactions in aqueous solution that involve ionic reactants or products may be represented more realistically by complete ionic equations and, more succinctly, by net ionic equations.
化学反応式は、化学変化や物理変化を記号で表したものである。変化を受ける物質(反応物)と、変化によって生じる物質(生成物)の化学式を矢印で分け、各式の前に相対的な個数を表す整数の係数を付ける。各元素の原子数が反応物側と生成物側で等しくなる係数をもつ式が、つり合った反応式である。イオンの反応物や生成物が関わる水溶液中の反応は、完全イオン反応式でより実態に即して表せ、正味のイオン反応式ではさらに簡潔に表せる。

Chemistry End of Chapter Exercises化学・章末問題

Exercises 1–11練習問題 1–11
Exercise 1問題 1
What does it mean to say an equation is balanced? Why is it important for an equation to be balanced?
反応式がつり合っているとは、どういう意味か。つり合っていることが重要なのはなぜか。
Solution解き方
An equation is balanced when the same number of each element is represented on the reactant and product sides. Equations must be balanced to accurately reflect the law of conservation of matter.
各元素の原子数が反応物側と生成物側で同じなら、反応式はつり合っている。物質保存の法則を正しく反映するため、反応式はつり合っていなければならない。
Exercise 2問題 2
Consider molecular, complete ionic, and net ionic equations.
分子反応式、完全イオン反応式、正味のイオン反応式について考えなさい。
(a) What is the difference between these types of equations?
(a) これらの式にはどのような違いがあるか。
(b) In what circumstance would the complete and net ionic equations for a reaction be identical?
(b) 完全イオン反応式と正味のイオン反応式が同じになるのは、どのような場合か。
Exercise 3問題 3
Balance the following equations:
次の反応式の係数を合わせなさい。
(a) PCl5(s)+H2O(l)⟶POCl3(l)+HCl(aq)
(a) PCl5(s)+H2O(l)⟶POCl3(l)+HCl(aq)
(b) Cu(s)+HNO3(aq)⟶Cu(NO3)2(aq)+H2O(l)+NO(g)
(b) Cu(s)+HNO3(aq)⟶Cu(NO3)2(aq)+H2O(l)+NO(g)
(c) H2(g)+I2(s)⟶HI(s)
(c) H2(g)+I2(s)⟶HI(s)
(d) Fe(s)+O2(g)⟶Fe2O3(s)
(d) Fe(s)+O2(g)⟶Fe2O3(s)
(e) Na(s)+H2O(l)⟶NaOH(aq)+H2(g)
(e) Na(s)+H2O(l)⟶NaOH(aq)+H2(g)
(f) ( NH4 )2 Cr2O7(s)⟶Cr2O3(s)+N2(g)+H2O(g)
(f) ( NH4 )2 Cr2O7(s)⟶Cr2O3(s)+N2(g)+H2O(g)
(g) P4(s)+Cl2(g)⟶PCl3(l)
(g) P4(s)+Cl2(g)⟶PCl3(l)
(h) PtCl4(s)⟶Pt(s)+Cl2(g)
(h) PtCl4(s)⟶Pt(s)+Cl2(g)
Solution解き方
(a) PCl5(s)+H2O(l)⟶POCl3(l)+2HCl(aq); (b) 3Cu(s)+8HNO3(aq)⟶3Cu(NO3)2(aq)+4H2O(l)+2NO(g); (c) H2(g)+I2(s)⟶2HI(s); (d) 4Fe(s)+3O2(g)⟶2Fe2O3(s); (e) 2Na(s)+2H2O(l)⟶2NaOH(aq)+H2(g); (f) (NH4 )2Cr2O7(s)⟶Cr2O3(s)+N2(g)+4H2O(g); (g) P4(s)+6Cl2(g)⟶4PCl3(l); (h) PtCl4(s)⟶Pt(s)+2Cl2(g)
(a) PCl5(s)+H2O(l)⟶POCl3(l)+2HCl(aq); (b) 3Cu(s)+8HNO3(aq)⟶3Cu(NO3)2(aq)+4H2O(l)+2NO(g); (c) H2(g)+I2(s)⟶2HI(s); (d) 4Fe(s)+3O2(g)⟶2Fe2O3(s); (e) 2Na(s)+2H2O(l)⟶2NaOH(aq)+H2(g); (f) (NH4 )2Cr2O7(s)⟶Cr2O3(s)+N2(g)+4H2O(g); (g) P4(s)+6Cl2(g)⟶4PCl3(l); (h) PtCl4(s)⟶Pt(s)+2Cl2(g)
Exercise 4問題 4
Balance the following equations:
次の反応式の係数を合わせなさい。
(a) Ag(s)+H2S(g)+O2(g)⟶Ag2S(s)+H2O(l)
(a) Ag(s)+H2S(g)+O2(g)⟶Ag2S(s)+H2O(l)
(b) P4(s)+O2(g)⟶P4O10(s)
(b) P4(s)+O2(g)⟶P4O10(s)
(c) Pb(s)+H2O(l)+O2(g)⟶Pb(OH)2(s)
(c) Pb(s)+H2O(l)+O2(g)⟶Pb(OH)2(s)
(d) Fe(s)+H2O(l)⟶Fe3O4(s)+H2(g)
(d) Fe(s)+H2O(l)⟶Fe3O4(s)+H2(g)
(e) Sc2O3(s)+SO3(l)⟶Sc2(SO4)3(s)
(e) Sc2O3(s)+SO3(l)⟶Sc2(SO4)3(s)
(f) Ca3(PO4)2(aq)+H3PO4(aq)⟶Ca(H2PO4)2(aq)
(f) Ca3(PO4)2(aq)+H3PO4(aq)⟶Ca(H2PO4)2(aq)
(g) Al(s)+H2SO4(aq)⟶Al2(SO4)3(s)+H2(g)
(g) Al(s)+H2SO4(aq)⟶Al2(SO4)3(s)+H2(g)
(h) TiCl4(s)+H2O(g)⟶TiO2(s)+HCl(g)
(h) TiCl4(s)+H2O(g)⟶TiO2(s)+HCl(g)
Exercise 5問題 5
Write a balanced molecular equation describing each of the following chemical reactions.
次の各化学反応を表す、つり合った分子反応式を書きなさい。
(a) Solid calcium carbonate is heated and decomposes to solid calcium oxide and carbon dioxide gas.
(a) 固体の炭酸カルシウムを加熱すると、固体の酸化カルシウムと気体の二酸化炭素に分解する。
(b) Gaseous butane, C4H10, reacts with diatomic oxygen gas to yield gaseous carbon dioxide and water vapor.
(b) 気体のブタンC4H10が二原子分子の酸素気体と反応し、二酸化炭素気体と水蒸気を生じる。
(c) Aqueous solutions of magnesium chloride and sodium hydroxide react to produce solid magnesium hydroxide and aqueous sodium chloride.
(c) 塩化マグネシウム水溶液と水酸化ナトリウム水溶液が反応し、固体の水酸化マグネシウムと塩化ナトリウム水溶液を生じる。
(d) Water vapor reacts with sodium metal to produce solid sodium hydroxide and hydrogen gas.
(d) 水蒸気が金属ナトリウムと反応し、固体の水酸化ナトリウムと水素気体を生じる。
Solution解き方
(a) CaCO3(s)⟶CaO(s)+CO2(g); (b) 2C4H10(g)+13O2(g)⟶8CO2(g)+10H2O(g); (c) MgC12(aq)+2NaOH(aq)⟶Mg(OH)2(s)+2NaCl(aq); (d) 2H2O(g)+2Na(s)⟶2NaOH(s)+H2(g)
(a) CaCO3(s)⟶CaO(s)+CO2(g); (b) 2C4H10(g)+13O2(g)⟶8CO2(g)+10H2O(g); (c) MgC12(aq)+2NaOH(aq)⟶Mg(OH)2(s)+2NaCl(aq); (d) 2H2O(g)+2Na(s)⟶2NaOH(s)+H2(g)
Exercise 6問題 6
Write a balanced equation describing each of the following chemical reactions.
次の各化学反応を表す、つり合った反応式を書きなさい。
(a) Solid potassium chlorate, KClO3, decomposes to form solid potassium chloride and diatomic oxygen gas.
(a) 固体の塩素酸カリウムKClO3が分解し、固体の塩化カリウムと二原子分子の酸素気体を生じる。
(b) Solid aluminum metal reacts with solid diatomic iodine to form solid Al2I6.
(b) 固体の金属アルミニウムが固体の二原子分子のヨウ素と反応し、固体のAl2I6を生じる。
(c) When solid sodium chloride is added to aqueous sulfuric acid, hydrogen chloride gas and aqueous sodium sulfate are produced.
(c) 固体の塩化ナトリウムを硫酸水溶液に加えると、塩化水素気体と硫酸ナトリウム水溶液を生じる。
(d) Aqueous solutions of phosphoric acid and potassium hydroxide react to produce aqueous potassium dihydrogen phosphate and liquid water.
(d) リン酸水溶液と水酸化カリウム水溶液が反応し、リン酸二水素カリウム水溶液と液体の水を生じる。
Exercise 7問題 7
Colorful fireworks often involve the decomposition of barium nitrate and potassium chlorate and the reaction of the metals magnesium, aluminum, and iron with oxygen.
色鮮やかな花火では、硝酸バリウムと塩素酸カリウムの分解や、金属のマグネシウム、アルミニウム、鉄と酸素の反応がよく用いられる。
(a) Write the formulas of barium nitrate and potassium chlorate.
(a) 硝酸バリウムと塩素酸カリウムの化学式を書きなさい。
(b) The decomposition of solid potassium chlorate leads to the formation of solid potassium chloride and diatomic oxygen gas. Write an equation for the reaction.
(b) 固体の塩素酸カリウムが分解すると、固体の塩化カリウムと二原子分子の酸素気体が生じる。反応式を書きなさい。
(c) The decomposition of solid barium nitrate leads to the formation of solid barium oxide, diatomic nitrogen gas, and diatomic oxygen gas. Write an equation for the reaction.
(c) 固体の硝酸バリウムが分解すると、固体の酸化バリウム、二原子分子の窒素気体、二原子分子の酸素気体が生じる。反応式を書きなさい。
(d) Write separate equations for the reactions of the solid metals magnesium, aluminum, and iron with diatomic oxygen gas to yield the corresponding metal oxides. (Assume the iron oxide contains Fe3+ ions.)
(d) 固体の金属マグネシウム、アルミニウム、鉄が二原子分子の酸素気体と反応し、それぞれ対応する金属酸化物を生じる反応式を、一つずつ書きなさい。(酸化鉄はFe3+イオンを含むものとする。)
Solution解き方
(a) Ba(NO3)2, KClO3; (b) 2KClO3(s)⟶2KCl(s)+3O2(g); (c) 2Ba(NO3)2(s)⟶2BaO(s)+2N2(g)+5O2(g); (d) 2Mg(s)+O2(g)⟶2MgO(s); 4Al(s)+3O2(g)⟶2Al2O3(s); 4Fe(s)+3O2(g)⟶2Fe2O3(s)
(a) Ba(NO3)2, KClO3; (b) 2KClO3(s)⟶2KCl(s)+3O2(g); (c) 2Ba(NO3)2(s)⟶2BaO(s)+2N2(g)+5O2(g); (d) 2Mg(s)+O2(g)⟶2MgO(s); 4Al(s)+3O2(g)⟶2Al2O3(s); 4Fe(s)+3O2(g)⟶2Fe2O3(s)
Exercise 8問題 8
Fill in the blank with a single chemical formula for a covalent compound that will balance the equation:
反応式がつり合うように、空欄に共有結合化合物一つの化学式を入れなさい。
化学反応の図です。矢印の左端に構造式があり、最初のC原子の上、下、左にH原子が結合しています。その右には別のC原子が結合し、上下にH原子が付きます。さらに右のC原子には、上に二重結合したO原子、右に単結合したO原子があり、このO原子の右にはH原子が結合しています。その構造式の後にプラス記号とNaOHがあり、反応矢印が続きます。矢印の右にも構造式があり、最初のC原子の上、下、左にH原子、次のC原子の上下にH原子が結合しています。3個目のC原子には上に二重結合したO原子、右に単結合したO原子があり、後者のOの右上にはマイナス記号があります。その右にはプラス記号、Na⁺、もう一つのプラス記号、そして解答を記入する横線があります。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Exercise 9問題 9
Aqueous hydrogen fluoride (hydrofluoric acid) is used to etch glass and to analyze minerals for their silicon content. Hydrogen fluoride will also react with sand (silicon dioxide).
英語のヒント
フッ化水素水溶液(フッ化水素酸)は、ガラスをエッチングしたり、鉱物のケイ素含有量を分析したりするのに使われる。フッ化水素は砂(二酸化ケイ素)とも反応する。
(a) Write an equation for the reaction of solid silicon dioxide with hydrofluoric acid to yield gaseous silicon tetrafluoride and liquid water.
(a) 固体の二酸化ケイ素がフッ化水素酸と反応して、四フッ化ケイ素気体と液体の水を生じる反応式を書きなさい。
(b) The mineral fluorite (calcium fluoride) occurs extensively in Illinois. Solid calcium fluoride can also be prepared by the reaction of aqueous solutions of calcium chloride and sodium fluoride, yielding aqueous sodium chloride as the other product. Write complete and net ionic equations for this reaction.
(b) 鉱物の蛍石(フッ化カルシウム)はイリノイ州に広く分布している。固体のフッ化カルシウムは、塩化カルシウム水溶液とフッ化ナトリウム水溶液の反応でも作ることができ、もう一つの生成物として塩化ナトリウム水溶液が生じる。この反応の完全イオン反応式と正味のイオン反応式を書きなさい。
Solution解き方
(a) 4HF(aq)+SiO2(s)⟶SiF4(g)+2H2O(l); (b) complete ionic equation: 2Na+(aq)+2F−(aq)+Ca2+(aq)+2Cl−(aq)⟶CaF2(s)+2Na+(aq)+2Cl−(aq), net ionic equation: 2F−(aq)+Ca2+(aq)⟶CaF2(s)
(a) 4HF(aq)+SiO2(s)⟶SiF4(g)+2H2O(l); (b) 完全イオン反応式:2Na+(aq)+2F−(aq)+Ca2+(aq)+2Cl−(aq)⟶CaF2(s)+2Na+(aq)+2Cl−(aq), 正味のイオン反応式:2F−(aq)+Ca2+(aq)⟶CaF2(s)
Exercise 10問題 10
A novel process for obtaining magnesium from sea water involves several reactions. Write a balanced chemical equation for each step of the process.
海水からマグネシウムを得る新しい方法には、いくつかの反応が含まれる。各段階について、つり合った化学反応式を書きなさい。
(a) The first step is the decomposition of solid calcium carbonate from seashells to form solid calcium oxide and gaseous carbon dioxide.
(a) 第1段階では、貝殻由来の固体の炭酸カルシウムを分解し、固体の酸化カルシウムと二酸化炭素気体を生じる。
(b) The second step is the formation of solid calcium hydroxide as the only product from the reaction of the solid calcium oxide with liquid water.
(b) 第2段階では、固体の酸化カルシウムと液体の水を反応させ、唯一の生成物として固体の水酸化カルシウムを得る。
(c) Solid calcium hydroxide is then added to the seawater, reacting with dissolved magnesium chloride to yield solid magnesium hydroxide and aqueous calcium chloride.
(c) 次に固体の水酸化カルシウムを海水に加え、溶けている塩化マグネシウムと反応させ、固体の水酸化マグネシウムと塩化カルシウム水溶液を得る。
(d) The solid magnesium hydroxide is added to a hydrochloric acid solution, producing dissolved magnesium chloride and liquid water.
(d) 固体の水酸化マグネシウムを塩酸に加え、溶解した塩化マグネシウムと液体の水を得る。
(e) Finally, the magnesium chloride is melted and electrolyzed to yield liquid magnesium metal and diatomic chlorine gas.
(e) 最後に塩化マグネシウムを溶融して電気分解し、液体の金属マグネシウムと二原子分子の塩素気体を得る。
Exercise 11問題 11
From the balanced molecular equations, write the complete ionic and net ionic equations for the following:
次のつり合った分子反応式から、完全イオン反応式と正味のイオン反応式を書きなさい。
(a) K2C2O4(aq)+Ba(OH)2(aq)⟶2KOH(aq)+BaC2O4(s)
(a) K2C2O4(aq)+Ba(OH)2(aq)⟶2KOH(aq)+BaC2O4(s)
(b) Pb(NO3)2(aq)+H2SO4(aq)⟶PbSO4(s)+2HNO3(aq)
(b) Pb(NO3)2(aq)+H2SO4(aq)⟶PbSO4(s)+2HNO3(aq)
(c) CaCO3(s)+H2SO4(aq)⟶CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l)
(c) CaCO3(s)+H2SO4(aq)⟶CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l)
Solution解き方
(a) 2K+(aq)+C2O42−(aq)+Ba2+(aq)+2OH−(aq)⟶2K+(aq)+2OH−(aq)+BaC2O4(s)(complete)Ba2+(aq)+C2O42−(aq)⟶BaC2O4(s)(net)
(b) Pb2+(aq)+2NO3−(aq)+2H+(aq)+SO42−(aq)⟶PbSO4(s)+2H+(aq)+2NO3−(aq)(complete)Pb2+(aq)+SO42−(aq)⟶PbSO4(s)(net)
(c) CaCO3(s)+2H+(aq)+SO42−(aq)⟶CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l)(complete)CaCO3(s)+2H+(aq)+SO42−(aq)⟶CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l)(net)
(a) 2K+(aq)+C2O42−(aq)+Ba2+(aq)+2OH−(aq)⟶2K+(aq)+2OH−(aq)+BaC2O4(s)(完全)Ba2+(aq)+C2O42−(aq)⟶BaC2O4(s)(正味) (b) Pb2+(aq)+2NO3−(aq)+2H+(aq)+SO42−(aq)⟶PbSO4(s)+2H+(aq)+2NO3−(aq)(完全)Pb2+(aq)+SO42−(aq)⟶PbSO4(s)(正味) (c) CaCO3(s)+2H+(aq)+SO42−(aq)⟶CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l)(完全)CaCO3(s)+2H+(aq)+SO42−(aq)⟶CaSO4(s)+CO2(g)+H2O(l)(正味)
balanced equation
つり合った反応式
chemical equation with equal numbers of atoms for each element in the reactant and product
各元素の原子数が反応物側と生成物側で等しい化学反応式
chemical equation
化学反応式
symbolic representation of a chemical reaction
化学反応を記号で表したもの
coefficient
係数
number placed in front of symbols or formulas in a chemical equation to indicate their relative amount
化学反応式の記号や化学式の前に置き、相対量を示す数
complete ionic equation
完全イオン反応式
chemical equation in which all dissolved ionic reactants and products, including spectator ions, are explicitly represented by formulas for their dissociated ions
傍観イオンを含む、溶解したすべてのイオン性反応物・生成物を、解離したイオンの式で明示する化学反応式
molecular equation
分子反応式
chemical equation in which all reactants and products are represented as neutral substances
すべての反応物と生成物を中性の物質として表す化学反応式
net ionic equation
正味のイオン反応式
chemical equation in which only those dissolved ionic reactants and products that undergo a chemical or physical change are represented (excludes spectator ions)
溶解したイオン性反応物・生成物のうち、化学変化または物理変化を受けるものだけを表す化学反応式。傍観イオンは含めない
product
生成物
substance formed by a chemical or physical change; shown on the right side of the arrow in a chemical equation
化学変化または物理変化で生じる物質。化学反応式では矢印の右側に示す
reactant
反応物
substance undergoing a chemical or physical change; shown on the left side of the arrow in a chemical equation
化学変化または物理変化を受ける物質。化学反応式では矢印の左側に示す
spectator ion
傍観イオン
ion that does not undergo a chemical or physical change during a reaction, but its presence is required to maintain charge neutrality
反応中に化学変化も物理変化も受けないが、電気的中性を保つために存在が必要なイオン