【中学受験理科】気体の性質と発生を図解で総まとめ—酸素 二酸化炭素 水素 アンモニア 発生の計算｜武蔵野個別指導塾

水上置換法と上下の置換法を図で比べ、石灰石と塩酸の量から気体の体積を求める例題を順に解きます。石灰水とBTB溶液の変化も、観察の理由から確かめられます。

よくあるのは、理科室の実験台の脇で、逆さまの集気びんを見たお子さまが「軽い気体だから、びんを逆さにするのかな」と考え、水の中で集める方法と空気中で集める方法を混同する場面です。酸素も水素も水の中で逆さにしたびんに集められますが、酸素は空気より少し重く、水素は空気より軽い気体です。びんの向きだけでは、集め方の理由は決まりません。

気体の問題には、性質を見分ける問題と、材料の量から発生する体積を求める問題があります。どちらも、名前を覚えるだけでは途中で迷います。「水に溶けるか」「何と何を反応させるか」「先になくなる材料はどちらか」と、判断する条件を順番に取り出すことが必要です。

ここでは4種類の気体を同じ項目で比べ、集め方、確認のしかた、表とグラフの読み取りをつなげます。見えない気体についても、装置の形と観察結果を根拠に、答えの理由を短い文で説明できるようにしましょう。

この単元で身につけること

• 酸素、二酸化炭素、水素、アンモニアの性質を比べます。色、水への溶けやすさ、空気に対する重さを別々の項目にすると、似た性質と違う性質を整理できます。
• 集め方を性質から選びます。最初に水上置換法が使えるかを考え、そのあとで上方置換法と下方置換法を検討します。選んだ方法だけでなく、選ぶ根拠も言葉にします。
• 発生させる材料と確認に使う物を区別します。気体を作るための薬品と、できた気体を調べるための石灰水などは、実験の中で役割が違います。
• 表の比例する部分と、増えなくなる部分を読み分けます。加えた材料の全量と、実際に反応した量を分けて、発生量や残りの量を求めます。
• 石灰水とBTB溶液の変化を説明します。白くにごることと、酸性・中性・アルカリ性によって色が変わることを区別して記述します。

水溶液の性質で学んだ「水に何が溶けているか」という見方が、気体を水に溶かしたあとの変化につながります。また、比例の計算では算数と同じく、何をそろえて比べているかを先に確かめます。

基本の考え方

4種類の気体を同じ物差しで比べる

酸素、二酸化炭素、水素、アンモニアは、いずれも色のない気体です。集気びんが透明に見えることは、中身が空気である証拠にはなりません。見え方だけでなく、水への溶けやすさや、決められた確認操作で生じる変化を組み合わせて判断します。

次の表の「重い・軽い」は、同じ温度・同じ圧力で、同じ体積の空気と比べた場合です。大きな袋と小さな袋をそのまま比べるという意味ではありません。水への溶けやすさも、ここではふつうの実験条件での特徴として整理しています。

酸素は、燃えている物の燃え方を強めるはたらきがあります。酸素そのものが燃料として燃える、という説明にはしません。水素は気体自身が燃え、燃えると水ができます。この違いは「燃える」と「燃えるのを助ける」を書き分ける問題によくつながります。二酸化炭素はふつうのろうそくの燃焼を支えませんが、火が消えたという結果だけでは二酸化炭素だと断定できません。

アンモニアには刺激の強いにおいがあります。ただし、においをかいで気体を当てる活動は行いません。性質として知ることと、鼻を近づけて確かめることは別です。発生実験、薬品の取り扱い、火を用いる確認は、先生などが安全管理する実験設備で行うものとして読み、家庭で再現しないようにします。

水を押しのけるか、空気を押しのけるか

水上置換法は、水で満たした集気びんを水中で逆さにし、気体で中の水を押し出して集める方法です。水に溶けにくい気体に向いています。空気を押し出して集める方法に比べ、空気の混じりを少なくしやすく、集まった量も水の減り方から見て取れます。最初から空のびんを水中に逆さに置くのではなく、びんの中を水で満たしておく点が大切です。

酸素と水素は水上置換法で集められます。二酸化炭素は水に少し溶けますが、水上置換法を使うこともできます。ただし、水に溶けた分まで全部集まるわけではありません。アンモニアは非常によく水に溶けるので、この方法では十分に集められません。「水に少しでも溶けたら、必ず水上置換法は使えない」とは考えないようにします。

図1のように、水を使わない方法では、空気と比べた重さでびんの向きを選びます。下方置換法は、空気より重い気体をびんの下の方に送り、もともと入っていた空気を上へ追い出す方法です。二酸化炭素を集めるときに使います。上方置換法は、空気より軽い気体を逆さにしたびんの上の方に送り、空気を下へ追い出す方法です。アンモニアは乾いた器具でこの方法を使います。

図1の紺色の矢印は、送りこむ気体の進む向きを表します。水上置換法の淡い紺色の部分は水です。下方置換法・上方置換法では、緑色の矢印が追い出される空気を表しています。模式図なので、実際には気体と空気の間にくっきりした境目ができるわけではありません。気体は混ざり合うため、空気を完全に追い出せると考えるのも誤りです。

水素も空気より軽いので上方置換法で集めることはできますが、水に溶けにくい性質を利用し、空気の混じりを少なくしやすい水上置換法をふつう選びます。問題が「最も適した方法」を聞いているのか、「使える方法をすべて」聞いているのかでも答え方が変わります。方法名を一対一で結びつけるだけでなく、問題の条件を確認しましょう。

発生させる材料と、水に溶かしたあとの変化

酸素の発生では、うすい過酸化水素水に二酸化マンガンを加える方法が代表的です。二酸化マンガンは変化を進みやすくする触媒としてはたらき、反応の前後でそれ自体の量は基本的に変わりません。過酸化水素水の量と濃さが同じなら、二酸化マンガンを増やしたことだけを理由に、最終的な酸素の量も同じ割合で増えるとはいえません。発生する速さと、最後までに発生する総量を区別します。

二酸化炭素は石灰石にうすい塩酸を加えると発生します。水素は亜鉛などにうすい塩酸を加えると発生します。ただし、どんな金属でも同じように水素が出るわけではありません。たとえば銅とうすい塩酸の組み合わせでは、通常この方法で水素は発生しません。アンモニアには塩化アンモニウムと水酸化カルシウムを混ぜて加熱する発生方法があり、またアンモニア水を温めると、溶けていたアンモニアが出てきます。これらは学校で示される装置や観察記録を読み取るための知識です。

発生装置には、実験を始める前から空気が入っています。そのため、発生し始めに出てくる気体には装置内の空気が混じっています。初めの気体をすぐ確認に使わない理由は、目に見える汚れがあるからではなく、目的の気体だけになっていないからです。特に水素と空気が混じったものに点火するのは危険です。家庭では点火による確認を行いません。

二酸化炭素を石灰水に通すと、白い固体ができて液が白くにごります。石灰水が単に白い色の液体へ変わった、とするより、「白くにごった」と観察を書く方が正確です。なお、二酸化炭素をさらに十分通し続けると、にごりが消える場合があります。観察記録では、初めの変化と、その後も通し続けた変化を分けます。

BTB溶液は、酸性で黄色、中性で緑色、アルカリ性で青色になる指示薬です。二酸化炭素を水に溶かすと酸性を示し、アンモニアを水に溶かすとアルカリ性を示します。したがって、初めが中性で緑色の液なら、二酸化炭素を十分溶かしたあとは黄色、アンモニアを十分溶かしたあとは青色になります。色が示しているのは水溶液の性質であり、気体そのものの色ではありません。

例題で解き方を確かめる

例題1　集め方を理由と組にする

酸素とアンモニアを別々に集めます。水上置換法、上方置換法、下方置換法のうち、それぞれに最も適した方法を1つ選び、理由も答えましょう。酸素は空気の混じりを少なくして集めたいものとします。

1. まず水への溶けやすさを比べます。水上置換法が使えるかを先に判断すれば、空気との重さだけで選ぶ誤りを防げます。酸素は水に溶けにくく、アンモニアは非常によく溶けます。
2. 酸素は水上置換法を選びます。問題にある「空気の混じりを少なくして」という条件にも、水で満たしたびんから水を押し出す方法が合っています。
3. アンモニアは空気より軽いことを確かめ、上方置換法を選びます。水を使えない理由と、びんを逆さにする理由は別々なので、両方を書くと説明が完結します。

答え：酸素は水に溶けにくいので水上置換法、アンモニアは水に非常によく溶け、空気より軽いので上方置換法です。

例題2　表の増え方が止まる理由を読む

同じ濃さのうすい塩酸を毎回20 cm3用意し、石灰石の量だけを変えて、発生する二酸化炭素の体積を調べました。石灰石はすべて塩酸と反応する成分からなるものとし、十分に反応が終わるまで測ります。気体の温度と圧力は同じで、水に溶ける分などの損失は考えないものとします。

石灰石を2.5 gにしても体積が増えない理由と、石灰石1 gがすべて反応するときの二酸化炭素の体積を答えましょう。図2は、この表と同じ条件の関係を表しています。

1. 隣り合う値の差を調べます。石灰石が0.5 g増えるごとに、2.0 gまでは気体が120 cm3ずつ増えます。ここは石灰石の量と気体の体積が比例する部分です。
2. 比例する部分で1 gあたりを求めます。120 ÷ 0.5 ＝ 240なので、石灰石1 gが反応すると240 cm3発生します。表の1.0 gの列を見ても同じ結果になるため、読み取りも確認できます。
3. 2.0 gから2.5 gでは、石灰石だけが増えて気体は増えていません。図2の横ばいの部分では、塩酸の中で反応に使われる成分が先になくなっています。石灰石を追加するだけでは、反応する相手が足りません。

答え：塩酸の反応する成分が使い切られたため増えず、石灰石1 gがすべて反応すると240 cm3発生します。

横軸は経過時間ではなく、実験ごとに入れた石灰石の量です。図の線を見て「2 gのところで反応が急に遅くなった」と読むことはできません。時間ごとの発生量を測った実験と、材料の量を変えた実験を区別しましょう。

例題3　塩酸も石灰石も変わる計算

例題2と同じ濃さの塩酸30 cm3に、同じ石灰石4 gを加えました。ほかの条件も例題2と同じです。発生する二酸化炭素の体積と、反応せずに残る石灰石の量を求めましょう。

1. 塩酸側が反応させられる石灰石の量を求めます。例題2では塩酸20 cm3で石灰石2 gまで反応したので、30 cm3では2 × 30 ÷ 20 ＝ 3 gです。塩酸の濃さが同じだから、体積の比を使えます。
2. 入れた4 gと、反応できる上限の3 gを比べます。小さい方の3 gだけが反応するので、4 g全部を使って気体の体積を計算してはいけません。先に足りなくなる材料を判断する手順です。
3. 反応した石灰石3 gから気体を計算します。1 gで240 cm3なので、240 × 3 ＝ 720 cm3です。塩酸の側から480 × 30 ÷ 20としても同じ720 cm3になります。
4. 入れた量から反応した量を引きます。4 − 3 ＝ 1 gなので、石灰石は1 g残ります。残る量を発生量の計算に使うのではなく、反応量を求めたあとに引き算します。

答え：二酸化炭素は720 cm3発生し、石灰石は1 g残ります。

この240 cm3という値は、問題の実験条件から求めた値です。石灰石1 gなら、温度や圧力にかかわらず必ず同じ体積になるという暗記はしません。また、塩酸の濃さが違えば、30 cm3という体積だけを根拠に1.5倍とすることもできません。

例題4　2つの観察をつないで記述する

無色の気体Aについて、別々に取った試料を調べました。一方を石灰水に通し始めると白くにごりました。もう一方を、初めが中性で緑色のBTB溶液を含む水に十分溶かすと、黄色になりました。Aを答え、BTB溶液が黄色になった理由を説明しましょう。候補は酸素、二酸化炭素、水素、アンモニアです。

1. 石灰水の結果から候補を絞ります。4種類の中で、石灰水を白くにごらせる性質があるのは二酸化炭素です。無色であることだけでは候補を絞れません。
2. BTB溶液の黄色を、水溶液の性質に読み替えます。黄色は酸性を表します。色の名前を繰り返すだけでは、変化の理由の説明になりません。
3. 気体の名前と酸性になる理由をつなげます。「二酸化炭素が水に溶けて酸性を示したため」と書けば、気体が水に入ったことと指示薬の変化を説明できます。

答え：Aは二酸化炭素で、水に溶けて酸性を示したため、BTB溶液が黄色になりました。

石灰水を通り抜けたあとの気体をそのまま次の確認に使う設定ではありません。別々の試料で調べることで、一方の確認操作がもう一方の結果に影響することを避けています。問題文の「別々に」という条件にも意味があります。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　集め方の名前を空気の向きで決める

誤った書き方は、「空気を上へ出すので、二酸化炭素は上方置換法で集める」です。どこが違うかというと、方法名を追い出される空気の向きから決めている点です。下方置換法では重い気体が下にたまり、空気は上へ出ていきます。

正しい書き方は、「二酸化炭素は空気より重いので、びんの下の方から送りこむ下方置換法で集められる」です。図1に戻り、紺色の矢印と緑色の矢印を別々に指で追うと、気体が入る向きと空気が出る向きを区別できます。そのあと、水上置換法も使えることを追加すれば、方法名だけに頼らない整理になります。

誤り2　指示薬の変化を気体の色として書く

誤った書き方は、「二酸化炭素は黄色、アンモニアは青色の気体」です。どこが違うかというと、BTB溶液の色と気体そのものの色を取り違えています。どちらの気体も無色で、変わったのは気体を溶かした水に加えた指示薬の色です。

正しい書き方は、「二酸化炭素を溶かした水は酸性を示し、BTB溶液は黄色になる。アンモニアを溶かした水はアルカリ性を示し、BTB溶液は青色になる」です。図3のように初めの液をそろえ、2つの別の液にそれぞれの気体を十分溶かした結果として読みます。

図3では、液の判定色を「緑」「黄」「青」の文字でも示しています。同じ1つの液に、二酸化炭素、アンモニアの順に入れる実験ではありません。初めからアルカリ性の液なら、二酸化炭素を加える途中で青色から緑色を通る場合もあります。初めの性質が書かれていないのに、「必ず緑色から黄色」と決めないことも大切です。

また、酸素や水素を純粋な水に溶かしても、この学習で扱う条件では、二酸化炭素やアンモニアのような酸性・アルカリ性への変化は見られません。ただし、緑色のままだから酸素だと一意には決まりません。変化しない気体が複数あるときは、別の観察結果が必要です。

誤り3　加えた量をすべて反応した量として計算する

誤った書き方は、例題3で「石灰石4 gなので、240 × 4 ＝ 960 cm3」です。どこが違うかというと、塩酸30 cm3が反応させられる上限を確認していません。比例が使えるのは、相手の材料が足りていて、考えている量が全部反応できる範囲です。

正しい書き方は、「塩酸30 cm3では石灰石3 gまで反応するので、240 × 3 ＝ 720 cm3」です。表の横に「入れた量4 g」「反応した量3 g」「残った量1 g」と分けて書くと、3つの数の役割が見えます。グラフが横ばいになる理由を、ただ「限界だから」とせず、「もう一方の反応する成分が使い切られたから」と説明できれば、数値が変わっても同じ考え方を使えます。

練習問題

練習1

酸素と水素について、「気体自身が燃える」「物が燃えるのを助ける」のどちらが当てはまるか、それぞれ答えましょう。また、両方を水上置換法で集められる共通の理由を答えましょう。実際に点火せず、性質の表をもとに考えます。

練習2

アンモニアを集めるのに、水上置換法が適さない理由と、最も適した集め方を答えましょう。さらに、中性で緑色のBTB溶液を含む水にアンモニアを十分溶かすと、何色になるか答えましょう。

練習3

例題2と同じ石灰石、同じ濃さの塩酸を用い、ほかの条件も同じにします。塩酸15 cm3に石灰石2 gを加えると、二酸化炭素は何cm3発生し、石灰石は何g残りますか。塩酸が反応させられる石灰石の量を先に求めましょう。

練習4

例題2と同じ条件で、塩酸40 cm3に石灰石2.5 gを加えました。発生する二酸化炭素の体積を求め、使い切られる材料が石灰石か塩酸の反応する成分かを答えましょう。また、反応後に同じ石灰石0.5 gを追加すると、二酸化炭素はさらに何cm3発生しますか。

答えと解説

練習1の答えは、酸素が「物が燃えるのを助ける」、水素が「気体自身が燃える」です。共通の理由は、どちらも水に溶けにくいことです。酸素と水素では空気との重さの関係が違うので、「どちらも空気より軽いから」としないようにします。

練習2の答えは、「水に非常によく溶けるため水上置換法は適さず、上方置換法で集める」「青色」です。集め方を説明するときは、アンモニアが空気より軽いことも添えます。青色になるのは、溶かした水がアルカリ性を示すためです。

練習3の答えは、二酸化炭素360 cm3、残る石灰石0.5 gです。塩酸15 cm3が反応させられる石灰石は2 × 15 ÷ 20 ＝ 1.5 gです。発生量は240 × 1.5 ＝ 360 cm3、残りは2 − 1.5 ＝ 0.5 gとなります。石灰石2 gに対して塩酸が不足するので、石灰石の全量を比例式に入れません。

練習4の答えは、最初に600 cm3発生し、石灰石が使い切られ、追加で120 cm3発生します。塩酸40 cm3は石灰石4 gまで反応させられますが、最初に入れた石灰石は2.5 gなので、発生量は240 × 2.5 ＝ 600 cm3です。その後も石灰石1.5 g分を反応させる余地があり、追加の0.5 gは全部反応します。したがって追加分は240 × 0.5 ＝ 120 cm3、合計なら720 cm3です。「追加分」と「合計」のどちらを問われたか、最後に確認しましょう。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

酸素の性質は燃焼、二酸化炭素の性質は植物の光合成や呼吸につながります。また、反応する材料のどちらかが先になくなる考え方は、中和の計算でも使います。気体の名前が変わっても、「何を一定にし、何を変えたか」を読み取る力はそのまま役立ちます。

家庭では保護者が付き添い、紙と鉛筆で5分ほどの確認を2つ行えます。1つ目は、4種類の気体の名前を書き、水への溶けやすさだけを根拠に水上置換法が使えるかを説明することです。その後で空気との重さを加え、上方・下方のどちらが使えるかを考えます。薬品や火は使わず、判断の順番を口に出す活動です。

2つ目は、例題2の表の気体の体積を紙で隠し、お子さまに2.0 gまでの値と2.5 gの値を予想してもらうことです。2.5 gでも同じ値になる理由を説明できたら、塩酸を半分にした場合の上限も考えます。個別指導では、計算式の直しに入る前に、横軸が時間なのか材料の量なのか、表のどの列で比例が成り立つのかまで戻って確かめます。

まとめ

気体の問題で答えに迷ったときは、集気びんの中で何を押し出しているのか、指示薬は何の性質を表しているのか、どの材料が反応したのかを見直します。見えないものを考える問題だからこそ、図の矢印、表の変化、問題文の条件が判断の手がかりになります。

答えを直すときも、気体名や数値だけを書き換えず、選んだ根拠を1つ添えましょう。「水に溶けにくいから」「塩酸の反応する成分が足りないから」という言葉が、次の問題で自分の判断を支えます。気体の性質の理解は、集め方を選ぶ理由と、発生量が止まる理由を説明する言葉に表れます。