中学受験理科の酸素の性質—燃焼を助ける働きと確認の結果を結びつける｜武蔵野個別指導塾

火のついた線香の変化と水上置換の理由を手掛かりに、燃える物との役割の違いをたどれば、観察から酸素を知る。

よくあるのは、酸素を集めたびんの中で線香が強く燃える様子を見て、酸素自身が燃えていると答える小5の場面です。明るく見えたのは線香の燃えている部分であり、酸素はその燃え方を助けています。何が燃え、何が燃えるのを助けたかを分けると、観察の説明がすっきりします。

問題では、集めた気体の中で線香がどう変わったかを読み、気体の性質を答える型があります。また、水の中で気体を集められる理由を問う型や、複数の記録から酸素だと言える範囲を考える型もあります。名前を暗記するだけでなく、結果と理由の間を言葉でつなぐことが求められます。

ここで扱う実験は、学校で先生の指示のもとに行った観察を紙の上で読み取るものです。火や気体を家庭で試すための手順ではありません。問題文に示された条件と結果を材料として、何が言えて何がまだ言えないかを考えます。

燃える物と燃えるのを助ける気体

物が燃える変化を燃焼（ねんしょう）といいます。酸素には、ほかの物が燃えるのを助ける助燃性（じょねんせい）があります。一方、物自身が燃える性質を可燃性（かねんせい）と呼びます。2つは似た字ですが、担う役割が違います。

図1のように、線香と酸素の役割を分けて考えます。線香が燃える物で、酸素は燃えるのを助ける気体です。線香の燃え方が強くなるという観察から、「酸素自身が燃えた」と入れ替えてはいけません。酸素は燃焼に使われますが、酸素を可燃性の気体として扱うわけではありません。

図1では、線香の変化と酸素の働きを別々の枠に置きました。問いが「何が燃えたか」なら線香、「どんな働きがあるか」なら物が燃えるのを助ける働き、と答える場所が変わります。強く燃えたという現象を、気体の名前そのものと混同しないようにします。

酸素は水に溶けにくい気体です。水に全く溶けないという意味ではありません。水に溶けにくいので、水で満たした容器の中へ気体を入れ、水を押し出して集める水上置換（すいじょうちかん）という方法を使えます。容器の口は水中にあり、気体は容器の上側にたまって水が下へ押し出されます。

集め方を問う問題では、水に溶けにくいという性質と、水の代わりに気体が入るというしくみを両方読むことが大切です。水中で集まったという記録だけから、気体が必ず酸素だと決めることはできません。水に溶けにくい気体は酸素以外にもあるからです。

観察と言葉を結ぶ

酸素は色やにおいで手軽に見分ける気体ではありません。問題の記録では、見えない気体そのものを見たというより、線香の燃え方が変わったことを見ています。その変化を、問題で与えられた気体や候補の性質と照らして考えます。観察した事実と、そこから導いた判断を分けると、根拠が明確になります。

「強く燃える」と「火がつく」も区別します。問題に書かれた線香はすでに火がついています。燃え方が強まったという記録を、火のない物に自然に火がついたという話へ変えてはいけません。酸素があるだけで、どんな物でも必ず燃え出すという意味にはならないからです。

水上置換の図を読むときは、容器の中の気体が水より上にあり、容器の口が水面より下にあることを確かめます。水面より上に口が開いていれば、図に示されたように水を押し出して気体をためる条件とは違います。器具の形を丸暗記するより、気体が入る場所と水が出る場所をたどると、図の向きが変わっても考えられます。

記録から酸素の働きを読む

次の記録を使って、2つの問いに答えます。先生が用意した気体Aは酸素です。火のついた線香を気体Aの入ったびんに入れると、空気中にあったときより線香が強く燃えました。気体Aは水上置換で集められました。

問い1は、強く燃えた物と、燃えるのを助けた物をそれぞれ答える問題です。問い2は、水上置換を使える理由を答える問題です。図2の記録と対応させて、順に考えます。

まず、燃えている様子が記録されているのは線香です。したがって、問い1の燃えた物は線香です。次に、問題文は気体Aが酸素だと与えています。燃えるのを助けた物は酸素です。

問い2では、水の中に容器を置いて気体を集めたことと、酸素が水に溶けにくいことを結びつけます。答えは「酸素は水に溶けにくく、水を押し出して集められるから」です。図2のように、観察、与えられた気体名、性質を行き来しながら答えます。

ここで「線香が強く燃えたから気体Aが燃えた」とすると、変化した線香と、その変化を助けた酸素が入れ替わります。また、「水に溶けないから」と書くと、溶けにくさを言い過ぎています。短い答えでも、主語と性質の強さを確かめると正確になります。

この問題では気体の名前が最初から与えられていました。線香の結果から働きを説明することと、未知の気体の名前を決めることは別です。答えを書く前に、名前が問題文にあるかどうかにも印を付けておきます。

名前が伏せられたときの分かれ道

別の記録を考えます。気体Bと気体Cは、どちらも水上置換で集められました。火のついた線香をそれぞれのびんに入れたところ、Bでは線香が空気中より強く燃え、Cでは消えました。問題文は、BとCの候補を酸素と二酸化炭素（にさんかたんそ）の2つに限り、各気体はどちらか一方で、同じ名前は重ならないとしています。

この条件で、BとCをそれぞれ答えます。水上置換で集まったという共通の記録だけでは、2つを分けられません。線香の変化に目を移し、燃えるのを助ける酸素の性質と照らします。

Bでは線香が強く燃えたので、与えられた2候補の中ではBが酸素です。残ったCは二酸化炭素です。Cの名前は、単に線香が消えたことだけで決めたのではなく、候補が2つに限られ、重ならないという条件も使っています。答えはBが酸素、Cが二酸化炭素です。

もし候補の一覧がなく、Cで線香が消えたという記録しかなければ、その記録だけでCの名前を決めることはできません。線香が消える気体を、すべて同じ名前とみなせないからです。候補があるときは候補と結果を対応させ、候補がないときは観察から言える性質にとどめます。

さらに、線香の状態やびんの中の気体について記録が不足していれば、結果の比較自体が難しくなります。「記録に書かれたこと」と「記録から考えたこと」を分けて、足りない条件を勝手に補わないことが、少し難しい問題の分かれ目です。

条件を変えて読む

先ほどの候補を使う問題では、BとCが別の気体であることが判断の支えでした。もし2つのびんに同じ気体を入れてもよいという条件なら、片方の名前がわかっても、もう片方の名前が自動的に決まるとは限りません。答えの根拠に使った条件を消したとき、結論が残るか考えると読み落としを見つけられます。

また、水上置換で集められたという記録は、集め方についての手掛かりです。線香の記録は燃え方についての手掛かりです。2種類の結果を一つの文にまとめる前に、それぞれがどの性質に対応するか表の別の欄に書きます。片方の記録だけで両方の性質を証明したように書かないことが、説明の精度を上げます。

間違えた答えを直す

図3は、線香が強く燃えた観察から生まれやすい誤答と、その直し方です。誤答は「酸素が燃えた」です。理由をたどると、燃えて見えたものと、燃焼を助けたものを同じ役割として読んでいます。

図3のように、まず燃え方が変わった物に線を引きます。次に、そのまわりの気体が何をしたかを別の言葉で書きます。「線香が燃え、酸素が燃えるのを助けた」と直せば、2つの役割が入れ替わりません。

もう1つの誤りは、水上置換で集められた理由を「水と同じ重さだから」とする答えです。ここで使うのは水への溶け方です。気体が水に溶けにくいため、水を押し出して集められると直します。空気との重さを比べる話と、水に溶けるかどうかの話は、別の性質として整理します。

「線香が強く燃えたから酸素だ」と答える場合も、候補や観察条件を確認します。与えられた選択肢から選ぶ問題なら、結果を候補の性質と対応させます。選択肢がなく記録も不足する場合は、酸素だと断定できるかどうかを慎重に考えます。

観察がうまく記録されていない場合も考えます。たとえば、線香が最初から消えていたのか、気体に入れた後に消えたのかが書かれていなければ、前後の変化を比べられません。その記録だけを根拠に気体の性質を決めず、線香の状態と観察の順序が必要だと答えます。

図や表が途中で欠けている場合も同じです。読めない欄を想像で埋めず、残っている記録から言えることと、判断に必要な情報を分けます。結果が期待と違うという理由だけで、観察をなかったことにしない姿勢が大切です。

自分で確かめる問題

次の4問は、観察の記録を読む問題です。紙上の条件だけを使い、実験を再現する必要はありません。答えは問いの後にまとめています。

問題1

酸素の入った容器の中で、火のついた木片が空気中より強く燃えました。燃えた物と、燃えるのを助けた気体をそれぞれ名前で答えてください。

問題2

酸素を水上置換で集める理由を、水への溶け方と水の動きの両方を使って文章で答えてください。

問題3

気体Dと気体Eの候補は酸素と二酸化炭素で、それぞれ異なる気体です。火のついた線香はDの中で消え、Eの中で空気中より強く燃えました。DとEの名前をそれぞれ答え、使った条件も書いてください。

問題4

ある気体を水上置換で集められたという記録だけがあります。この記録だけで酸素と決められるかを答え、理由を文章で書いてください。

答えとたどり方

問題1の答え

燃えた物は木片、燃えるのを助けた気体は酸素です。記録で燃え方が変わったのは木片なので、木片を燃えた物にします。酸素はその燃焼を助けた側です。酸素が強く燃えたと書くと、観察した対象と気体の働きが入れ替わります。

問題2の答え

酸素は水に溶けにくく、水を押し出して集められるからです。水に少しも溶けないとまでは言えません。容器内で水と気体が入れ替わることを思い浮かべると、溶けにくさと集め方がつながります。

問題3の答え

Dは二酸化炭素、Eは酸素です。Eでは線香が強く燃えたので、燃焼を助ける酸素に対応します。候補が酸素と二酸化炭素の2つで、同じ気体が重ならないという条件から、Dは残る二酸化炭素と判断します。Dで消えたという結果だけから、候補を無視して名前を決めたわけではありません。

問題4の答え

酸素とは決められません。水上置換で集められることは、水に溶けにくいという手掛かりになりますが、同じ方法で集められる気体は酸素以外にもあります。名前を選ぶには、候補やほかの観察結果を合わせて考える必要があります。

要点を手元に

酸素は自分が燃えるのではなく、ほかの物の燃焼を助けます。
酸素は水に溶けにくく、水上置換で集められます。
線香の変化と気体の働きは分けて読みます。
気体名の判断には候補や観察条件を合わせて使います。

横で見守るときは

お子さまが「酸素が燃えた」と書いたら、すぐに正しい語を渡す前に、記録の中で燃え方が変わった物に印を付けてもらいます。次に、びんの中の気体の役割を図1の枠に戻して言葉にします。燃えた物と助けた物を指で別々に示せるかを見ると、答えの入れ替わりに気づきやすくなります。

水上置換の理由で止まったときは、「水の中で気体がどう集まるか」と「水への溶け方」を順に問いかけます。答えを先に完成させるより、図と記録から必要な箇所を選ぶ時間を残します。候補のない問題で名前を急いだ場合は、どの条件が足りないかを一緒に確かめます。酸素の働きは、燃えた物と並べてこそはっきりします。