化学反応とは？ わかりやすく解説

化学反応（かがくはんのう、英: chemical reaction）は、ある一連の化学物質が別の化学物質へ化学的に変換する過程である^[1]。化学反応が起こると原子が再配置し、新しい生成物が生成されることでエネルギー変化を伴う。古典的な説明によれば、化学反応は原子間の化学結合の形成と切断による電子の位置の変化を指し、原子核（元素の構成要素）は変化せず、多くの場合、化学式で表すことができる。核化学は、電子と原子核の両方が変化が起こる可能性のある不安定（英語版）な放射性元素の化学反応を扱う、化学の一分野である。

化学反応で最初に関与する物質（または物質群）を反応物または試薬と呼ぶ。化学反応は通常、化学的な変化を特徴とし、反応物とは異なる性質を持つ1つ以上の生成物を生成する。多くの場合、反応は一連の個別段階、いわゆる素反応で構成され、その正確な作用機序に関しては反応機構で説明される。化学反応は化学方程式で記述され、出発物質と最終生成物、場合によっては中間生成物や反応条件などを記号的に表現する。

化学反応は、所与の温度および化学物質の濃度の下で、特有の反応速度で進行する。熱を発生する反応は発熱反応と呼ばれ、反応を起こすために熱を必要とする場合は吸熱反応と呼ばれる。一般的に温度の上昇に伴って反応速度が増加する。これは、原子間の結合を切断するために、必要な活性化エネルギーに達するのに利用できる熱エネルギーが増えるためである。

反応は、酸化と還元が起こる酸化還元反応と、酸化も還元も起こらない非酸化還元反応に分類することができる。ほとんどの単純な酸化還元反応はさらに、複合反応、分解反応、単置換反応に分けられる。

化学合成においては、目的の生成物を得るために、さまざまな化学反応が行われる。生化学では、一連の連続した化学反応（ある反応の生成物が次の反応の反応物となる）が代謝経路を形成する。こうした反応の多くは酵素というタンパク質によって触媒される。酵素が生化学反応の速度を増加させるため、通常の条件下では不可能な代謝合成や分解が、細胞内における温度や濃度で起こるようになる。

化学反応の一般的な概念は、量子場理論で記述される核反応（英語版）、放射性崩壊、素粒子間の反応など、原子よりも小さな実体間の反応にまで拡張されている。

燃焼、発酵、鉱石から金属への還元などの化学反応は古代から知られていた。物質の変換に関する初期の理論はギリシャの哲学者によって提唱されたもので、エンペドクレスは「四元素説」で、あらゆる物質は火、水、空気、土の4つの基本元素で構成されているとすると主張した。中世においては、錬金術師によって化学的変換が研究された。彼らは、鉛を金に変換しようと試み、鉛や鉛銅合金と硫黄の反応を利用した^[2]。

化学物質の人工的な製造は、中世の錬金術師にとって主要な目標の一つであった^[3]。たとえば、ジャービル・イブン・ハイヤーン（850年-950年頃）の著作に記述されている有機物質からの塩化アンモニウムの合成や^[4]、1300年頃以降の錬金術師による硫酸や硝酸などの鉱酸の製造がある^[5]。鉱酸の製造では、硫酸銅、ミョウバン、硝石など、硫酸塩や硝酸塩の鉱物を加熱していた。17世紀、ヨハン・ルドルフ・グラウバーは、硫酸と塩化ナトリウムを反応させて塩酸と硫酸ナトリウムを製造した。鉛室法（1746年）とルブラン法（1791年）の開発によって硫酸と炭酸ナトリウムの大量生産が可能になり、化学反応が産業に導入されるようになった。1880年代、硫酸技術が最適化された接触法が発明され^[6]、1909年から1910年にかけてアンモニア合成のためのハーバー法が開発された^[7]。

16世紀以降、ヤン・バプティスタ・ファン・ヘルモント、ロバート・ボイル、アイザック・ニュートンなどの研究者は、実験的に観察された化学変化の理論の確立を試みた。1667年にヨハン・ヨアヒム・ベッヒャーはフロギストン説を提唱し、可燃物中に「フロギストン」と呼ばれる火のような元素が存在して燃焼時に放出されると主張した。しかし、1785年にアントワーヌ・ラヴォアジエが、燃焼は空気中の酸素との反応であるという正しい説明を発見したことで、この説は誤りであることが証明された^[8]。

1808年、ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックは、気体は常に一定の割合で反応することを発見した。この考えとジョン・ドルトンの原子論に基づいて、ジョゼフ・プルーストは定比例の法則を確立した。この法則は後に、化学量論や化学方程式という概念へと発展した^[9]。

有機化学に関しては、生物から得られる化合物は複雑すぎて合成できないと、長い間考えられていた。生気論の概念によると、有機物は「生命力」を備えており、無機物とは区別された。しかしこの区別は、1828年にフリードリヒ・ヴェーラーが、無機物質の前駆体から有機物質の尿素を合成したことにより終焉を迎えた。有機化学に多大な貢献をした他の化学者には、エーテルを合成したアレクサンダー・ウィリアム・ウィリアムソン、置換反応（英語版）の機構を解明するなど多くの発見をしたクリストファー・ケルク・インゴールドがあげられる。

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化学反応の一般的な特徴は次のとおりである。

• 気体の発生（英語版）
• 沈殿物の生成
• 温度の変化
• 状態の変化

化学方程式（または化学式）は、化学反応を図式的に表現するために使用される。この式は、左側に反応物の化学式または構造式、右側に生成物の化学式または構造式で構成される。左辺と右辺は、反応の方向と種類を示す矢印（→）で区切られる。矢印は「生成する」と読む^[10]。矢印の先端は反応が進む方向を指す。反対方向を指す二重矢印（）は、平衡反応を表すために使用される。方程式は化学量論に従って釣り合いが取れている必要があり、式の両辺の各元素の原子数は等しくなければならない。これは、反応に関与する分子（次の例では A、B、C、D）の数を、適切な整数 a, b, c, d に調整することで行われる^[11]。

a A + b B → c C + d D

より複雑な反応は、出発物質と生成物だけでなく、重要な中間体や遷移状態も示す反応スキームで表される。さらに、反応において比較的目立たない追加の要素は、反応矢印の上部に示すことができる。そのような例には、水、熱、光、触媒などがある。同様に、比較的目立たない物質は矢印の下に表示され、しばしばマイナス記号を伴う。

逆合成解析は、複雑な合成反応の設計に応用することができる。ここでは、分析は生成物から始まり、たとえば選択された化学結合を切断することで、合理的な初期反応物を導出する。逆反応では特別な矢印（⇒）が使用される^[12]。

素反応とは、化学反応を分解できる最小の単位であり、中間生成物を含まない^[13]。実験的に観察される反応のほとんどは、並行または連続して起こる多くの素反応で構成されている。個々の素反応の実際の順序を反応機構と呼ぶ。複数の分子が同時に出会う確率が低いため、素反応には少数の分子（通常は1つか2つ）しか関与しない^[14]。

最も重要な素反応は、単分子反応と二分子反応である。単分子反応には1つの分子のみが反応に関与し、異性化または解離によって1つまたは複数の他の分子に変換される。このような反応には、熱や光などのエネルギーの供給が必要である。単分子反応の典型的な例として、シス-トランス異性化があげられ、これは化合物のシス型がトランス型に、またはその逆に変換される^[15]。

典型的な解離反応では、分子内の結合が分裂（開裂）し、2つの分子断片が形成される。この開裂はホモリティックまたはヘテロリティックに分類される。前者では、開裂した化学結合が各生成物に分配され、各生成物は電子を保持して中性ラジカルとなる。後者では、化学結合の電子は両方とも生成物の一方に残り、その結果、荷電イオンが形成される。解離は、水素–酸素反応や重合反応などの連鎖反応を引き起こす上で重要な役割を果たす。

${\displaystyle {\ce {AB -> A + B}}}$

合成

合成反応では、2つ以上の単純な物質が結合して、より複雑な物質が形成される。これらの反応は、一般に次の式で表される。 $${\displaystyle {\ce {A + B->AB}}}$$ 2H₂O

• 水中の酢酸が酢酸イオンとヒドロニウムイオンに解離する反応

CH₃COOH + H₂O CH₃COO⁻ + H₃O⁺

平衡に向かって逆方向（右から左）に進行する反応は、しばしば非自発反応（英語版）と呼ばれる。すなわち、 ${\displaystyle \Delta G}$

酸化還元反応は、ある物質（還元剤（英語版））から別の物質（酸化剤（英語版））への電子の移動という観点から理解することができる。この過程において、前者の物質は酸化され、後者の物質は還元される。この説明は多くの目的には十分であるが、厳密には正確ではない。酸化を原子の酸化状態（英語版）の増加、還元を酸化状態の減少と定義する方がより適切である。実際には、電子の移動により酸化状態は常に変化しているが、電子の移動が起こらなくても「酸化還元反応」に分類される反応も多く存在する（たとえば、共有結合を伴う反応など）^[28][29]。

次の酸化還元反応では、危険な金属であるナトリウムが有毒な塩素ガスと反応して、イオン性化合物である塩化ナトリウム（一般にな食塩として知られる）を生成する。 $${\displaystyle {\ce {2Na(s) + Cl2(g)->2NaCl(s)}}}$$

錯形成反応では、複数の配位子が金属原子と反応して配位錯体を形成する。これは、配位子の孤立電子対を金属原子の空軌道に供給し、双極子結合を形成することで達成される。配位子はルイス塩基（英語版）であり、イオンでも中性分子（一酸化炭素、アンモニア、水など）でもよい。中心金属原子と反応する配位子の数は、遷移金属の原子価殻は合計18個の電子を収容できるという18電子則を用いて決定することができる。その結果、生成する錯体の対称性は、結晶場理論および配位子場理論を用いて予測することができる。その他の錯形成反応としては、1つまたはそれ以上の配位子が別の配位子に置き換わる配位子交換（英語版）、中心金属原子の酸化状態が変化する酸化還元反応などがある^[32]。

ブレンステッド-ローリーの酸塩基理論では、酸塩基反応とは、ある化学種（酸）から別の化学種（塩基）への陽子（H⁺）の移動を伴う反応と定義されている。酸から陽子が除去されると、その結果生じる種はその酸の共役塩基（英語版）と呼ばれる。塩基が陽子を受容すると、その結果生じる種はその塩基の共役酸（英語版）と呼ばれる^[33]。言い換えれば、酸は陽子供与体として、塩基は陽子受容体として機能し、次の関係が成り立つ。 $${\displaystyle {\ce {{\underset {acid}{HA}}+{\underset {base}{B}}<=>{\underset {conjugated\ base}{A^{-}}}+{\underset {conjugated\ acid}{HB+}}}}}$$

沈殿とは、化学反応中に溶液中または固体内部に別の固体が形成されることである。通常、溶解したイオンの濃度が溶解度限界を超えた際に^[34]、不溶性の塩が形成される現象である。この過程は、沈殿剤を加えるか、または溶媒を除去することで促進される。急速な沈殿は、非晶質または微結晶性の残留物を生じるが、穏やかな沈殿では単結晶が得られる。後者は微結晶塩からの再結晶化によっても得られる^[35]。

固体どうしの間で反応が起こることがある。ただし、固体中の拡散速度は比較的小さいため、該当する化学反応は液相や気相の反応に比べてはるかに遅い。反応速度は、反応温度を上げるか、反応物をより細かく分割して接触表面積を増やすことで促進することができる^[36]。

反応は、固体-気体界面や、超高真空（英語版）のような非常に低い圧力下にある表面で起こることがある。走査型トンネル顕微鏡を使用すると、反応の時間スケールが適切な範囲にあれば、固体-気体界面でおこる反応を実空間で観察することができる^[37][38]。固体-気体界面における反応は、触媒作用と関連している可能性もある。

光化学反応では、原子や分子が照射光（光子）のエネルギーを吸収し、それを励起状態に変換する。そして、化学結合を切断することによってこのエネルギーが放出され、ラジカルを生成する。光化学反応には、水素-酸素反応、ラジカル重合、連鎖反応、転位反応などがある^[39]。

光化学は、多くの重要なプロセスに関与している。典型的な例として光合成があげられる。ほとんどの植物は、太陽エネルギーを利用して二酸化炭素と水をグルコースに変換し、副産物として酸素を放出する。人間は光化学を利用してビタミンDを合成し、また、視覚はロドプシンの光化学反応によって開始される^[15]。ホタルの場合、腹部に存在する酵素が反応を触媒し、生物発光を引き起こす^[40]。地球の大気圏では、オゾン形成など多くの重要な光化学反応が起こり、大気化学を構成している。

触媒作用において、反応は直接進行するのではなく、第三の物質である「触媒」との反応を通じて進行する。触媒は反応に関与し、反応物や中間体と弱い結合を形成するが、反応終了時には元の状態に戻り、消費されない。ただし、二次的反応によって阻害や不活性化されたり、または破壊されることがある。触媒は、反応物とは異なる相（不均一相（英語版）という）で使用されたり、同じ相（均一相）で使用されることもある。不均一相触媒反応における典型的な二次的反応の例として、触媒がポリマー状の副生成物で覆われるコーキング（英語版）があげられる。さらに、不均一相触媒は固液系では溶液に溶解したり、固気系では蒸発することがある。触媒は反応を速めるだけであり、他方、反応を遅らせる化学物質は阻害剤と呼ばれる^[41][42]。触媒の活性を高める物質は促進剤と呼ばれ、触媒の活性を低下させる物質は触媒毒と呼ばれる。触媒を使用することで、高い活性化エネルギーによって速度論的に阻害されている反応が、この活性化エネルギーを回避することで進行することがある。

不均一系触媒は通常は固体であり、表面積を最大化するために粉末状に加工される。特に重要な不均一系触媒は、白金族金属やその他の遷移金属が含まれ、これらは水素化、接触改質（リフォーミング）、硝酸やアンモニアなどの汎用化学品の合成に用いられている。酸は均一系触媒の一例であり、カルボニル基の求核性を高め、通常は進行しない求電子剤との反応を可能にする。均一系触媒の利点は、反応物と容易に混合できる点であるが、生成物から分離するのが困難な場合がある。このため、多くの工業プロセスにおいて、不均一系触媒が好まれる^[43]。

有機化学では、酸化、還元、酸塩基反応に加え、炭素原子間、あるいは炭素とヘテロ原子（酸素、窒素、ハロゲンなど）間の共有結合を伴うさまざまな反応が起こる。有機化学における多くの特異反応は人名反応と呼ばれ、その発見者にちなんで命名されている。

工業的に最も重要な反応の一つがクラッキングで、製油所で重質炭化水素を分解し、より小さな単純な分子を生成するために使われる。この過程はガソリンの製造に使用される。特定の種類の有機反応は、その反応機構（置換、付加、脱離など）や生成物の種類（メチル化、重合、ハロゲン化など）によって分類することができる。

置換反応（英語版）では、特定の化合物中の官能基（英語版）が別の基に置換される^[44]。これらの反応は置換基の種類によって、求核置換（英語版）、求電子置換（英語版）、ラジカル置換（英語版）に分類される。

S_N1 機構

S_N2 機構

S_N2 反応の3つの段階。求核剤は緑、脱離基は赤で表示されている。

S_N2 反応は立体反転 (ワルデン反転) を引き起こす

1番目の求核置換では、求核剤、すなわち電子が過剰で、負電荷または部分電荷（英語版）を持つ原子や分子が、基質分子の原子またはその一部を置換する。求核剤からの電子対が基質を攻撃して新しい結合を形成し、脱離基（英語版）は電子対とともに離脱する。通常、求核剤は電気的に中性または負に帯電しているが、基質は中性または正に帯電している。求核剤の例としては、水酸化物イオン、アルコキシド（英語版）、アミン（英語版）、ハロゲン化物（英語版）などがあげられる。この種の反応は主に脂肪族炭化水素で見られ、芳香族炭化水素（英語版）ではまれである。後者は電子密度が高く、非常に強い電子吸引基（英語版）を持つ場合にのみ、芳香族求核置換反応を起こす。求核置換反応は、S_N1 と S_N2 という2つの異なる機構によって進行する。これらの名称の S は置換（substitution）、N は求核（nucleophilic）、数字は反応の反応次数（単分子か二分子か）を表している^[45]。

S_N1 反応は2段階で進行する。まず脱離基が離脱して、カルボカチオン（英語版）を生成する。続いて、求核剤との急速な反応が進行する^[46]。

S_N2 機構では、まず求核剤が攻撃対象となる分子と遷移状態を形成し、その後、脱離基が切断される。この2つの機構は、生成物の立体化学（英語版）が異なる。S_N1 は非立体特異的な付加を引き起こし、キラル中心を生じさせないが、その代わりに、幾何異性体（シス-トランス異性体）を生成する。これに対し、S_N2 機構では、既存の立体化学の反転が起こる（ワルデン反転）^[47]。

2番目の求電子置換（英語版）反応は、攻撃対象の原子または分子（求電子剤）の電子密度が低く、正電荷を帯びているという点で、求核置換と対をなす反応である。代表的な求電子剤は、カルボニル基の炭素原子、カルボカチオン、硫黄またはニトロニウムカチオンである。この反応は、芳香族炭化水素でのみ起こり、芳香族求電子置換と呼ばれる。求電子剤は芳香族環を攻撃し、芳香族性を消失した遷移状態、いわゆる σ錯体を形成する。その後、脱離基（通常は陽子）が離脱し、芳香族性が回復する。芳香族置換の代替として、脂肪族求電子置換がある。これは脂肪族求核置換に似ており、 S_E1 と S_E2 の 2つの主要な種類がある^[48]。

3番目の置換反応であるラジカル置換では、攻撃する粒子はラジカルである^[44]。この反応は通常、連鎖反応（英語版）の形態をとり、アルカンとハロゲンとの反応は、この例の一つである。初期段階では、ハロゲンを含む分子は光や熱によって分解され、ラジカルを生成する。反応はその後、雪崩のような様相を呈して進行し、2つのラジカルが衝突して再結合するまで続く^[49]。

${\displaystyle {\ce {X. + R-H -> X-H + R.}}}$