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高校化学無機化学アルカリ金属とその塩—水との反応と炭酸塩の性質を物質量で結ぶ｜武蔵野個別指導塾

公開 2026.11.13更新 2026.11.13武蔵野個別指導塾の特徴化学を掘り下げる無機化学

水との反応で生じる水素と、炭酸水素塩の加熱で出る二酸化炭素・水を数え、炎色とともにたどるアルカリ金属。

よくあるのは、炭酸水素ナトリウムを加熱したとき、二酸化炭素が出ることを覚えていて、もう一方の生成物である水を数え忘れる場面です。気体を乾燥させてから測った体積と、加熱による固体の質量減少とは、同じ物質の量を示しているとは限りません。反応式に出てくる物質を一つずつ追えば、観察と計算を結びつけられます。

何を手がかりに解くか

問いの型は大きく3つあります。第1は、リチウム、ナトリウム、カリウムの単体が水と反応するとき、金属から生じる水素や水酸化物の量を求める型です。金属と水素の係数は同じではありません。水が十分にあるかどうかも条件として読みます。

第2は、炎色反応の記録から金属元素の候補を考える型です。黄色が見えたという記録と、試料にナトリウム以外が存在しないという結論の間には距離があります。混入や色の見え方を考える必要があります。

第3は、炭酸水素塩を加熱した前後の質量や発生物を使う型です。水が冷えて液体になっても、加熱中に固体から離れた生成物です。どの部分を量ったかを決めてから、係数比と質量保存を使います。以下の数値問題はすべて計算のための自作条件です。

金属と塩を別の姿として見る

Li、Na、Kは1族のアルカリ金属です。原子は最外殻の電子を1個失って、それぞれLi⁺、Na⁺、K⁺になりやすい性質があります。単体は還元作用が強く、水との反応で電子を失います。単体と陽イオンを同じものとして扱わないことが出発点です。

図1のように、水との反応と、塩の加熱は別の変化です。水を十分に与えたとき、ナトリウムの反応は次の式で表せます。

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

Na原子は2個ともNa⁺となり、各1個、計2個の電子を失います。水の水素の一部が電子を受け取り、H₂になります。左辺と右辺でNaは2個、Oは2個、Hは4個です。LiやKでも対応する水酸化物と水素を生じます。水酸化物が水に溶けるとOH⁻を生じるので、溶液は塩基性を示します。反応は発熱し危険を伴うため、観察は学校の指導の下で扱います。

図1の上段では単体が陽イオンに変わり、下段では炭酸水素塩の中の元素が固体と2種類の生成物に分かれます。炭酸ナトリウムNa₂CO₃と炭酸水素ナトリウムNaHCO₃は異なる塩です。後者は加熱で分解します。

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

左辺のNaは2個、Hは2個、Cは2個、Oは6個です。右辺でもNaは2個、Hは2個、Cは炭酸塩と二酸化炭素に各1個、Oは3 + 2 + 1で6個です。係数2は、生成するNa₂CO₃にNaが2個必要なことからも確認できます。この式は水素をH₂として発生させる反応ではありません。ナトリウムやカリウムの炭酸塩は通常の加熱では分解しにくい一方、炭酸リチウムは加熱により分解します。1族の塩を一律に扱わず、物質名を確認します。

炎色反応では、Liは赤色、Naは黄色、Kは淡紫色を示します。炎の熱で励起された粒子が低いエネルギーの状態に戻る際に、元素に特徴的な光を出すためです。炎の色は金属単体そのものの色ではありません。特にNaの黄色は目立ちやすく、少量の混入がKの色を見えにくくすることがあります。観察は金属元素の候補を示しますが、混合物の全成分を色だけで決定できるとは限りません。

基本例題：加熱前後の行方を数える

純粋なNaHCO₃ 16.8 gを十分に加熱し、完全に分解したとします。固体としてNa₂CO₃だけが残り、生成したCO₂とH₂Oは固体の外へ出たものとします。原子量をNa 23、H 1.0、C 12、O 16とし、残った固体と出ていった各生成物の質量を有効数字3桁で求めてください。

まず式量はNaHCO₃が84.0、Na₂CO₃が106、CO₂が44.0、H₂Oが18.0です。図2のように、反応式の2対1対1対1を物質量に移します。

n(NaHCO₃) = (16.8 g)/(84.0 g/mol)
= 0.200 mol
n(Na₂CO₃) = 0.200 mol・(1)/(2)
= 0.100 mol
n(CO₂) = 0.100 mol
n(H₂O) = 0.100 mol

図2の矢印は反応式の係数比を表します。各物質の質量は次のようになります。

m(Na₂CO₃) = 0.100 mol・106 g/mol
= 10.6 g
m(CO₂) = 0.100 mol・44.0 g/mol
= 4.40 g
m(H₂O) = 0.100 mol・18.0 g/mol
= 1.80 g

答えは順に10.6 g、4.40 g、1.80 gです。出ていったものは合計6.20 gであり、10.6 + 6.20 = 16.8 gと元の試料に戻ります。二酸化炭素だけを質量減少とみなすと、水の1.80 gを落とします。水が冷えて液体として集まった場合も、固体の質量を測る限り減少分に含まれます。

別解では、反応式の2 molのNaHCO₃、168 gから固体106 gが残る質量比を使います。16.8 gは168 gの10分の1なので残りは10.6 gです。ただし質量比だけで気体を区別するには、CO₂とH₂Oをそれぞれ計算する必要があります。物質量を使う方法は、生成物ごとの粒子数の比が見えやすい方法です。

水の量と混合物を考える

標準例題：反応する金属と水

Na 0.460 gに水0.900 gを与え、示した式だけで完全に反応するとします。原子量はNa 23、H 1.0、O 16です。残る水と生じるH₂の質量を有効数字2桁で求めてください。水酸化物は水に溶けるものとします。

n(Na) = (0.460 g)/(23 g/mol)
= 0.0200 mol
n(H₂O) = (0.900 g)/(18.0 g/mol)
= 0.0500 mol

式のNaとH₂Oの係数は等しいので、Naを全部反応させるには水0.0200 molが必要です。水は0.0500 molあるのでNaが先になくなります。

n(残るH₂O) = 0.0500 mol - 0.0200 mol
= 0.0300 mol
m(残るH₂O) = 0.0300 mol・18.0 g/mol
= 0.54 g
n(H₂) = 0.0200 mol・(1)/(2)
= 0.0100 mol
m(H₂) = 0.0100 mol・2.0 g/mol
= 0.020 g

生じるNaOHは0.0200 mol、0.800 gです。残る水0.540 gとNaOH 0.800 g、水素0.0200 gの合計は1.36 gで、最初の0.460 + 0.900 = 1.36 gに一致します。水が不足する場合にまでNaの全量から水素を求めると、負の水の残量が出ます。反応に必要な量を先に比較してください。

発展示例：混合物の質量減少

NaHCO₃と無水Na₂CO₃の混合物10.0 gを十分に加熱したところ、固体の質量が1.55 g減少しました。NaHCO₃は完全に分解し、Na₂CO₃は変化せず、生成したCO₂とH₂Oは固体から離れるものとします。原子量はNa 23、H 1.0、C 12、O 16です。最初の各成分の質量を有効数字3桁で求めてください。

NaHCO₃の物質量をx molとすると、係数比からCO₂とH₂Oはそれぞれxの半分です。減少分はその両方の質量なので、次の式を立てます。

(44.0 g/mol)・(x mol)/(2) + (18.0 g/mol)・(x mol)/(2) = 1.55 g
(31.0 g/mol)・x mol = 1.55 g
x = 0.0500
m(NaHCO₃) = 0.0500 mol・84.0 g/mol
= 4.20 g
m(最初のNa₂CO₃) = 10.0 g - 4.20 g
= 5.80 g

答えは4.20 gと5.80 gです。戻して確かめると、NaHCO₃ 4.20 gからCO₂ 1.10 gとH₂O 0.450 gが出て、減少量は1.55 gです。生成したNa₂CO₃は0.0250 mol、2.65 gで、初めからあった5.80 gと合わせた残りは8.45 gです。元の10.0 gからの差も1.55 gです。

別解として、NaHCO₃ 168 gが分解すると固体外へ62.0 g出るという質量比を使えます。減少量1.55 gを62.0 gに対応させれば、元のNaHCO₃は168・(1.55)/(62.0) = 4.20 gです。こちらは短い一方、分解が完全であり、両生成物が固体から離れたという条件に依存します。水が残留すれば、この比をそのまま使えません。

観察の設計と記録の読み方

学校の指導の下で、炭酸水素塩を加熱する記録を考えます。加熱前後の固体の質量に加え、発生した二酸化炭素を石灰水の白濁で確かめ、水の生成は冷えた部分に付く液体と水の確認反応を組み合わせて調べます。白濁だけでは水が出なかった証拠にはなりません。加熱しない試料や、加熱条件で変化しにくい炭酸ナトリウムを比較対象にすると、観察が加熱や試料の違いに対応するか検討できます。

加熱不足なら未分解のNaHCO₃が残り、完全分解を前提にした質量減少は小さくなります。固体が飛び散れば、本来残る固体まで失われ、減少量は大きく見えます。水滴が固体側に残る場合も減少量は小さく見えます。加熱前に湿気を含んだ試料を純物質として扱うと、失われた水分を分解由来と誤認することがあります。冷却後に質量が安定したか、試料と容器のどこを測ったかを記録します。

横軸を加熱時間、縦軸を固体の質量とするグラフでは、質量が下がった後に水平になることがあります。水平部分は、その条件で測定値が変化しなくなったことを示しますが、水平という形だけで純度や完全分解を証明することはできません。開始点と終点の差を読み、軸の単位を確認して、他の観察と突き合わせます。炎色でも器具の汚れを対照として調べ、黄色が出た場合に試料由来か混入かを慎重に判断します。

誤答を物質の行方から直す

誤答「NaHCO₃の加熱で固体が減った分はCO₂の質量である」。原因は、反応式のH₂Oを見落とし、目で見えた白濁の原因だけを数えたことです。図3のように、固体から離れるものをCO₂とH₂Oの2つに分けます。固体の減少分は、両方が固体から離れ、ほかの損失がない条件で両者の質量の和です。

別の誤答「Naが0.020 molならH₂も0.020 mol生じる」。NaとH₂の係数は2対1なので、十分な水があればH₂は0.010 molです。Na原子2個が失う電子2個で、水由来の水素原子2個がH₂を作ると見ると、係数の意味を確かめられます。

さらに「黄色が見えたからKは入っていない」とするのも飛躍です。Naの強い黄色が淡いKの色を覆う場合があります。観察した色と、そこから確実に言える範囲を分けて記録します。逆に、黄色が見えなかった場合も、観察条件や検出の限界を考えずに存在しないと断定しません。

練習：条件を読み取ってから式へ

次の数値は自作の条件です。計算の答えは指定した有効数字で示してください。原子量はNa 23、K 39、H 1.0、C 12、O 16とします。

Na 0.920 gを十分な水と完全に反応させます。生成するH₂の物質量を有効数字2桁で求めてください。
K 0.390 gを十分な水と完全に反応させます。生成するKOHの質量を有効数字2桁で求めてください。
純粋なNaHCO₃ 8.40 gを完全に加熱分解し、生成物が固体から離れます。固体の質量減少を有効数字3桁で求めてください。
NaHCO₃と無水Na₂CO₃の混合物6.00 gを完全に加熱し、CO₂とH₂Oが固体から離れたところ、固体が1.24 g減りました。元のNaHCO₃の質量を有効数字3桁で求めてください。
Li、Na、Kを含む可能性のある試料で黄色の炎が観察されました。Kが存在しないと結論できるか、理由とともに答えてください。

解答と確認

Naは(0.920)/(23) = 0.0400 molです。2Naに対しH₂は1なので、0.0400・(1)/(2) = 0.020 molです。水素0.0200 molに対応するNaはその2倍の0.0400 molで、元の0.920 gに戻ります。
Kは(0.390)/(39) = 0.0100 molです。2K + 2H₂O → 2KOH + H₂より、KOHも0.0100 molです。式量56.0を使い、0.0100・56.0 = 0.56 gです。KOHに含まれるKは0.0100 molで、最初のKに一致します。
NaHCO₃は(8.40)/(84.0) = 0.100 molです。CO₂とH₂Oは各0.0500 molなので、減少は0.0500・44.0 + 0.0500・18.0 = 3.10 gです。残るNa₂CO₃は0.0500 mol、5.30 gで、5.30 + 3.10 = 8.40 gと戻ります。
元のNaHCO₃をy molとします。減少はCO₂とH₂Oを合わせて31.0・y gなので、y = (1.24)/(31.0) = 0.0400です。質量は0.0400・84.0 = 3.36 gです。残りの元のNa₂CO₃は2.64 gで負になりません。生成するCO₂は0.0200 molで0.880 g、水も0.0200 molで0.360 gとなり、合計1.24 gの減少に戻ります。
結論できません。Naに由来する強い黄色がKの淡紫色を見えにくくする可能性があるためです。黄色の記録はNaの候補を示しますが、器具などからの混入も調べる必要があります。