化学式とは？定義と表記法、代表例（H2O・CH4・C6H12O6）をわかりやすく解説

化学式とは、分子やイオンの組成を簡潔に表す方法です。化学式は、分子の中にどのような原子が、各元素ごとにいくつ含まれているかを示します。場合によっては原子のつながり方（結合の様子）や空間配置（立体構造）を示すこともありますが、基本的には「どの元素が何個あるか」を数値と記号で表す表記です。

表記の基本ルール

元素記号：各元素は一文字または二文字の記号で表されます（例：H、C、O、Na）。記号は大文字で始め、続く文字があれば小文字にします（例：He、Cl）。
下付き数字（_…）：元素記号の右下に書かれる数字は、その原子の個数を表します。数字がない場合は1個です（例：H₂は水素原子が2個）。
係数：化学反応式で分子全体の前につける整数は、分子の個数（モル比）を示します（例：2 H₂O は水分子が2個）。
括弧：分子内に繰り返し現れる原子団をまとめるときに使います（例：Ca(OH)₂）。
電荷の表し方：イオンでは上付き文字（^…）で電荷を示します（例：Na⁺、SO₄²⁻）。
水和物や錯体の表記：ドットで結合して水和物を表すことがあります（例：CuSO₄·5H₂O）。

化学式の種類

分子式（分子式）：各元素の個数を最も単純に示した式（例：C₆H₁₂O₆）。
実験式（経験式）：元素の比（最小整数比）だけを示す式（例：過酸化水素 H₂O₂ の実験式は同じだが、例えばCH₂Oはグルコースの経験式）。
構造式：原子どうしの結びつき（どの原子がどれと結合しているか）を示す式。骨格や立体配置を示すことができ、同じ分子式でも異性体を区別できる。
縮合構造式：簡略化した構造式で、例えばアルカンの続き方などを示す（例：CH₃CH₂CH₃）。

代表例と読み方・意味

以下は日常的によく出てくる例です。

水（H₂O）：酸素原子1個に水素原子2個が結合した分子。極性分子で水素結合を作るため、沸点や溶媒としての性質が特徴的です。
メタン（CH₄）：炭素1個に水素4個が結合した最も簡単なアルカン。非極性でガス状、燃焼しやすく天然ガスの主成分です（原文の例：メタンは、炭素（C）原子1個と水素原子4個からなり、化学式はCH ₄）。
グルコース（C₆H₁₂O₆）：炭素6、水素12、酸素6を含む単糖。分子式だけでは環状か直鎖か、異性体の違いはわかりませんが、生体内でのエネルギー源として重要です（原文の例：糖分子のグルコースは…化学式はC ₆H ₁₂O₆です）。
過酸化水素（H₂O₂）：酸化剤として使われる分子。原文例：過酸化水素の化学式はH ₂O ₂。

化学式と化学反応式

化学式は、物質の種類を示す記号として、化学反応を記述する化学方程式で使われます。反応式では各物質の前に係数を置いて反応物と生成物の原子数が等しくなるように調整（係数を変えて「つり合う」）します。状態表示（(s)、(l)、(g)、(aq)）や反応条件も併記されることが多いです。

書き方の慣例と注意点

元素の並べ方：有機化合物では通常C、Hの順に書き、残りの元素はアルファベット順にする慣例（Hill法）が多く使われます。無機化合物やイオンの表記では陽イオン→陰イオンの順に書くことが一般的です（例：NaCl）。
同じ分子式でも性質が異なることがある：異性体（構造が異なる化合物）は同じ分子式でも物理化学的性質が異なります。分子式だけで構造や反応性を完全に判断できない点に注意が必要です。
イオンの場合：電荷を忘れると化学式がまったく別の物質を示すことがあります。例えば鉄のイオン Fe²⁺ と Fe³⁺ は性質が異なります。

歴史的背景

現代の化学式の書き方は、19世紀のスウェーデンの化学者Jöns Jacob Berzeliusが考案した化学式の表記法にルーツがあります。彼の体系化により、元素記号と数値で化学物質を簡潔に表す方法が普及しました。

まとめ（チェックポイント）

化学式は元素の種類と個数を示す基本的な表記法。
下付き数字は個数、上付き数字は電荷を示す。
分子式だけでは構造や立体配置はわからないことがあるため、必要に応じて構造式や縮合式を参照する。
化学反応式では係数で原子数をそろえる（質量保存の法則）。

上の説明を理解すると、過酸化水素（H₂O₂）やメタン（CH₄）、グルコース（C₆H₁₂O₆）などの化学式が示す意味がよりはっきり分かります。

2個の水素原子と1個の酸素原子で1分子の水ができる

数式の読み書き

化学式は、原子の数を表すもう一つの方法です。化学式は、組み合わせの中の原子の種類を表すのに使われます。化学式では、組み合わせに含まれる各原子の数を表すために添え字を使用します。添え字とは、記号の右下にある小さな数字のこと。その元素の原子の数を表します。化学式を書く前に、式の中に存在する各原子の記号を書いておきましょう。化学式を書くことは、化学的な数値を知らせる方法です。それは、周期表の中で最も簡単に見つけることができます。周期表は、よく知られている部品をすべて集めた表です。覚えられない図形は周期表を参考にしましょう。

エレメントファミリー

周期表にはさまざまな元素が記載されています。それぞれの元素にはファミリーがあります。元素ファミリーとは、元素の配列のことです。この元素ファミリーは、共通の性質を持っています。同じ特性を共有しているのです。

要素が順番に表示されます。各元素はファミリーに分類されています。金属、非金属、半金属の3つに大別されます。各元素ファミリーは、外殻の電子数で表示されます。また、同じ性質や価電子を表示することもできます。

5つの要素のファミリー

質問と回答

Q:化学式とは何ですか?

A: 化学式とは、化学者が分子を記述するために使用する表現です。分子中にどのような原子が何個存在するか、また、原子がどのように結合しているか、あるいは空間的にどのように配置されているかを記述するものである。

Q: 化学式はどのような情報を提供するのですか?

A: 化学式は、分子に存在する原子の数と種類に関する情報を提供します。また、原子がどのように結合しているか、あるいは空間的に配置されているかを示すことができます。

Q: 化学記号とは何ですか?

A: 化学記号は、各化学元素の略称です。通常1文字か2文字で、分子内の原子の種類を表しています。

Q: 化学式において、各原子の数はどのように表されるのですか?

A: 化学式では、各原子の数は添え字を使って表します。添え字は化学記号の後に続き、分子内のその元素の原子の数を示します。

Q: 化学式は、分子内の原子の結びつきを示すことができますか?

A: はい、化学式は原子が分子内でどのように結合しているかを示すことができます。この場合、分子内の原子の配置を示す線または括弧で表現することが多い。

Q: 化学式を書くシステムは誰が開発したのですか?

A:化学式の書き方は、19世紀に活躍したスウェーデンの化学者、ヨンス・ヤコブ・ベルゼリウスによって開発されました。

Q: グルコースの化学式は何ですか?

A: グルコースの化学式はC6H12O6で、炭素原子6個、水素原子12個、酸素原子6個であることを意味します。