中学受験理科の水素の性質—軽さと燃えた後の変化から気体の特徴を整理する｜武蔵野個別指導塾

燃えた後にできる物と空気との重さを別々に読み、気体の特徴を水素で読む。

水素の問題では、燃える前の気体の性質と、燃えた後にできる物を分けて考えます。水素は空気より軽く、自ら燃える気体です。水素が酸素と結びついて燃えると水ができます。燃えたという言葉だけで、できた物を決めないことが出発点です。

よくあるのは、水素が燃えた後にできる物を二酸化炭素と答える小6の場面です。物が燃える話で二酸化炭素を見た記憶があると、燃えた物の名前を確かめずに答えてしまうことがあります。しかし、水素について尋ねられているなら、水素が燃えたときの変化に戻ります。

問われ方には、性質の説明から気体の名前を選ぶ型、燃えた後の観察結果からできた物を考える型、複数の記録から候補をしぼる型があります。どの型でも、問題文に書かれた条件と結果を対応させることが大切です。以下の実験は記録を紙の上で読む問題です。水素と空気の混合物は危険なため、家庭で発生させたり火をつけたりせず、学校でも先生の指示に従います。

水素を見分ける3つの手掛かり

図1のように、水素の特徴は「重さ」「燃え方」「燃えた後」に分けると整理しやすくなります。それぞれが違う質問に答えるための手掛かりです。1つの性質から、残りの性質が自動的に決まるわけではありません。

まず、同じ温度と同じ圧力（あつりょく）で、同じ体積の水素と空気を比べると、水素の方が軽いです。「軽い」は同じ体積で比べたときの話です。比べる量をそろえず、水素ならどんな量でも空気より軽いと考えてはいけません。容器の重さが比較に含まれる場合は、同じ容器を使うなど、容器の条件にも注意します。

次に、可燃性（かねんせい）とは、その物自身が燃える性質です。水素は可燃性の気体です。一方、酸素には物が燃えるのを助ける性質があります。水素自身が燃えることと、酸素が燃焼（ねんしょう）を助けることを入れ替えないようにします。燃えるためには酸素が関わるので、水素だけの性質と、燃えるときに必要な相手を区別します。

最後に、水素が酸素と結びついて燃えると水ができます。冷えた面に水滴（すいてき）が見えるという記録は、できた水が液体として集まった様子を考える手掛かりです。ただし、水滴が見えたという記録だけで、必ず水素が燃えたと決めることはできません。元から水分があった可能性や別の物が燃えた可能性を、問題の条件から考える必要があるためです。

水素は水に溶けにくい気体でもあります。水への溶け方と空気との重さは別の性質です。軽いから水に溶けにくいと推理するのではなく、それぞれの事実を別々に覚えます。集め方を問う問題でも、どの性質を使っているかを先に確認します。

基本例題：記録を1行ずつ読む

次の表は、気体A、B、Cについて、同じ温度と圧力で同じ体積を比べ、燃焼の観察を記録したものです。候補は水素、酸素、二酸化炭素で、それぞれ1回ずつ使われています。水素に当たる記号と、水素が燃えた後にできる物の名前を答えましょう。表の各行はその気体についての記録です。

図2のように、まず「気体自身が燃える」という記録に印をつけます。次に、その行の「水ができた」を確かめます。2つの記録を同じ行で読んでから、気体名を選びます。

1行目では、A自身が燃えたとあります。可燃性という言葉に対応する記録です。さらに水ができたので、水素が燃える変化と一致します。水素は空気より軽いという重さの記録も、同じ行にあります。

2行目のBは、物が燃えるのを助けています。これは、B自身が燃えたという意味ではありません。候補の中では酸素の性質に対応します。「燃える」という言葉が記録に出てきても、何が燃えて何が助けたのかを読み分けます。

3行目のCは、自身が燃えず、物が燃えるのも助けないとあります。候補をそれぞれ1回使う条件から、Cは二酸化炭素です。Cの名前を先に決めなくても、Aの記録を水素の性質と照らせます。

したがって、答えは記号A、できた物は水です。表の「空気より軽い」からAを選んだ場合も、燃焼と生成物（せいせいぶつ）の記録を照合します。生成物とは、変化によって新しくできた物です。問題で与えられた候補の範囲では選べても、「軽い」という情報だけであらゆる気体から水素を確定できるとは限りません。

この表は、記録の読み方を練習するための条件です。実際の観察では、容器内にもともとあった空気や水分が結果に影響することがあります。紙上では、どこまで条件が書かれているかを確かめ、書かれていない観察を付け足さずに考えます。

表から答えるときは、選んだ行だけでなく、残った行も候補の説明と合うか確かめます。もし記録と候補が食い違うなら、記号を取り違えていないか、問題の条件を読み落としていないかに戻ります。表に書かれた観察と自分の知識を混ぜず、行ごとに照らすことが確かな答えにつながります。

条件が足りる場合と足りない場合

次の気体PとQの候補は、水素、酸素、二酸化炭素以外にもあるとします。Pは空気より軽く、気体自身が燃えました。Qについては、燃えた後に水滴が見えたという記録だけがあります。PとQのどちらを水素と決められるか、決められない場合は理由も答えましょう。ただし、水滴がもともと容器にあったかどうかは調べていません。

答えは、どちらもこの記録だけでは水素と決められません。Pの記録は水素の性質と合いますが、水素以外の候補もあるため、合うことと水素に決まることは別です。空気より軽く燃えるという2つの性質がそろっても、問題文が他の候補を除いていなければ、判断を保留します。

Qはさらに注意が必要です。水滴が見えたことと、それが燃焼によって新しくできたことは同じではありません。燃える前から容器に水分があった可能性が残っています。また、元から水分がないとわかったとしても、水ができたという結果だけで燃えた物を水素に限れるとは書かれていません。何が燃えたか、他にどんな候補があるかという条件が必要です。

ここが基本例題との分かれ目です。基本例題には3つの候補があり、各候補を1回ずつ使うという条件がありました。この例題では候補がその3つに限られず、Qでは水滴の由来も確定していません。知っている性質と矛盾しないことは大切ですが、それだけで唯一の答えになるとは限りません。

記録を読むときは「確認されたこと」と「まだ確認されていないこと」を分けましょう。観察の結果が不十分なら、無理に気体名を答えるより、何が足りないかを説明する方が正確です。設問に候補の一覧があれば、その範囲の中で選べるかも見直します。

答えを取り違えたときの戻り方

図3のように、「燃えたから二酸化炭素ができる」という答えでは、燃えた物の名前が抜けています。水素が燃えたという条件に戻し、酸素と結びついて水ができると直します。燃焼の話を見たら、まず「何が燃えたか」に線を引きます。

別の間違いは、「水素は燃焼を助ける」と書くことです。水素は自ら燃える側で、酸素は燃焼を助ける側です。誰が何をするのかを短い文にして、主語と述語をつなぎ直します。燃える場面で両方の気体が関わっても、働きが同じになるわけではありません。

「水素は空気より軽いから、水に溶けない」と続ける答えも見直しましょう。重さと水への溶け方は別々に調べる性質です。さらに、水素は水に溶けにくいのであって、全く溶けないと決めつける表現は適切ではありません。小さな言葉の違いが、判断の範囲を変えます。

水滴を見たという結果から、すぐ水素と決める間違いにも気をつけます。容器にもともと水分があったか、候補が何に限られているかを読む必要があります。条件が不足した問題では「わからない」とする理由まで書くと、知識と観察の境目が明確になります。

自分で確かめる問題

先に各問題を解き、選んだ理由も短く書いてから答えを見てください。どれも実験を行う問題ではなく、与えられた記録を読む問題です。

問1

同じ温度と圧力で同じ体積の水素と空気を比べた記録があります。水素と空気のどちらが軽いですか。また、比較するときにそろえる条件を2つ挙げましょう。

問2

気体D、Eのうち一方は水素、もう一方は酸素です。Dは気体自身が燃え、Eは物が燃えるのを助けました。水素はどちらですか。それぞれの働きを言葉で答えましょう。

問3

容器の内側が乾いていたことを確認したうえで、水素が酸素と結びついて燃えた後の気体を冷やすと、水滴が現れたという記録があります。新しくできた物を答え、その答えを水素の変化として説明するために記録のどの部分を使うか述べましょう。

問4

気体Fを調べた記録には「空気より軽い」とだけあります。候補の種類は示されていません。Fを水素と決められますか。判断の理由と、さらにどんな性質を確かめると考える手掛かりが増えるかを答えましょう。

答えと考え方

問1の答え

水素が軽いです。比較する体積を同じにし、温度と圧力も同じにします。温度と圧力を2つの条件として挙げても、同じ体積を条件に含めてもよいです。体積が違うまま重さだけを比べると、気体の種類の違いと量の違いを分けられません。

たとえば、少量の空気と大量の水素の重さを条件なしに比べても、「同じ体積ではどちらが軽いか」の答えにはなりません。問題文にそろえる条件が示されているかを探し、示されていない場合は必要な条件を補って説明します。

問2の答え

水素はDです。Dは自ら燃え、Eは物が燃えるのを助けるので、Eは酸素です。候補が水素と酸素の2つに限られていることも使っています。水素の可燃性と酸素の燃焼を助ける性質を、それぞれ別の文にすると取り違えに気づけます。

「燃える」と「燃えるのを助ける」のどちらにも燃焼に関する言葉が入っていますが、主語が違います。DとEの記号だけを覚えず、記録の主語が気体自身なのか別の物なのかを読んで判断します。

問3の答え

できる物は水です。問題文の「水素が」という部分に注目して、何が燃えたのかを確かめます。燃焼という言葉に反応して二酸化炭素と決めるのではなく、水素と酸素の変化として考え直します。

水ができると答える根拠は、水素が酸素と結びついて燃えるという条件です。水滴が見えたという観察が別に書かれた場合も、観察されたことと、条件から説明できることを区別して読みます。

問4の答え

水素とは決められません。空気より軽いという性質が水素と合っていても、候補が限定されていないので、それ以外の気体を除けないためです。気体自身が燃えるか、燃えた後に何ができるかなども、問題に与えられた記録から確かめると手掛かりが増えます。

ただし、手掛かりが増えたことと、必ず水素に決まることも別です。候補にどんな気体が含まれるか、その記録で他の候補を除けるかを最後まで確かめます。書かれていない記録を自分で作って答えに使うことはできません。

覚えておくこと

• 水素は同じ温度と圧力で同じ体積の空気より軽いです。
• 水素は自ら燃え、酸素と結びついて水ができます。
• 水への溶け方は重さとは別の性質で、水素は水に溶けにくいです。
• 気体名を決める前に、候補と観察条件が十分か確かめます。

保護者の方へ

お子さまが二酸化炭素と答えたら、すぐに正解を伝える前に、問題文の「何が燃えたか」を指でたどってもらいます。水素という主語が見つかったら、図1の燃えた後の欄を見て、できた物を自分の言葉で言い直します。主語を読めているのに迷う場合は、図3の誤りと修正を並べて、どちらの文が水素についての説明かを選びます。

軽さの問題で迷う場合は、同じ体積という条件を表の横に書きます。条件が足りない問題では、答えを急がせず、記録から言えることとまだ言えないことを分けてみます。水素の特徴は、比べる条件と変化の前後をそろえると見えてきます。