高校受験の理科 物質の分解—加熱や電気による変化を生成物から確かめる｜武蔵野個別指導塾

水の電気分解で生じる気体の調べ方と、加熱後の固体を比べる手順から物質の分解を読み取ります。

よくあるのは、水に電流を流して気体が出る図を見た中学生が、液体の水がそのまま気体になったと考える場面です。沸騰でも電気分解でも、水中に気体の泡が現れます。ただし、水蒸気や水素、酸素そのものは無色で、白く見える湯気は細かい水滴です。見た目が似ていても、集めた気体の性質を調べると、区別する手がかりが得られます。

何を根拠に変化を判断するか

問題の出方には、まず装置の各部分と操作の理由を説明する型があります。水の電気分解では、電源のどちら側に何が生じたか、集めた気体をどのように調べたかが問われます。電極の位置と集気管の位置を図で追い、極の名前と結果を結びつけます。

次に、加熱前後の物質の性質を比べる型があります。炭酸水素ナトリウムを加熱すると、気体や液体のほか、もとの白い粉末とは性質の異なる白い固体が生じます。白い固体が残ったという外見だけでは、同じ物質かどうかは決められません。

さらに、結果が期待どおりにならなかった場合を考える型があります。集め始めの気体に装置内の空気が混じる、気体が漏れる、調べる量が足りないなどの事情があれば、反応が起きなかったとは直ちに言えません。観察された事実と、そこから言える範囲を分けて答えます。

分解と状態変化を分ける目印

1種類の物質が化学変化によって2種類以上の別の物質に分かれることを分解といいます。加熱による分解を熱分解、電流を流すことによる分解を電気分解と呼びます。もとの物質と異なる性質をもつ物質が生じることが、化学変化を考える手がかりです。

これに対して、氷がとけて水になる、水が沸騰して水蒸気になるといった状態変化では、物質そのものは水のままです。液体か気体かという状態が変わったことと、別の物質が生じたことを混同しないようにします。泡が出た事実だけでは、どちらの変化か決められません。

図1のように、水の電気分解では陰極側に水素、陽極側に酸素が生じます。水には電流を流れやすくするため、少量の水酸化ナトリウムを溶かした水溶液を用います。発生した気体を同じ条件で測ると、体積は水素が酸素のおよそ2倍です。ただし体積の比だけで気体の名前を決めず、性質も調べます。

図1の陰極と陽極をたどり、水素と酸素の位置を指で示してみます。水素は火のついたマッチを近づけると音を立てて燃え、酸素は火のついた線香を入れると炎を上げて激しく燃えます。これらは学校で扱う確認法であり、結果を読むときには、どの気体にどの操作を行ったかを区別します。

炭酸水素ナトリウムの熱分解では、炭酸ナトリウム、水、二酸化炭素が生じます。二酸化炭素は石灰水を白くにごらせ、水は白い無水硫酸銅を青色に変えます。残った炭酸ナトリウムは、もとの炭酸水素ナトリウムより水に溶けやすく、同じ条件で比べると水溶液のアルカリ性が強いという性質があります。

装置の図を読むときは、電源の記号から電極へ線をたどり、その電極を覆う集気管を見ます。電極の左右の配置は図によって入れ替わるため、左側だから水素という覚え方では対応できません。陰極と陽極を確認してから、そこで生じた気体の性質を記入します。

気体の確認では、それぞれ別に集めた試料を使って操作します。集めた気体に空気が混じっていれば、燃え方の観察が判断しにくくなります。最初に装置内にあった空気を含む気体と、その後に集めた気体を区別して記録することが必要です。操作や観察の途中で予想と違う結果が出た場合も、予想に合わせて記録を書き換えず、実際に見えたことを残します。

加熱後の固体を水に溶かした際、色の変化がはっきりしないこともあります。その場合は、色が変わらなかったという観察と、アルカリ性ではないという判断を同じ意味にしません。試料の量や比較条件を確認し、与えられた記録から判断できる範囲を答えます。

基本例題：水から出た気体を調べる

次は教材用に作った観察記録です。水に少量の水酸化ナトリウムを溶かした液を用いて電気分解し、発生した気体を同じ温度と圧力で集めました。陰極側には12 mL、陽極側には6 mLの気体が集まりました。陰極側の気体に火のついたマッチを近づけると音を立てて燃え、陽極側の気体に火のついた線香を入れると炎を上げて激しく燃えました。各気体の名前、体積の比、これが状態変化ではなく分解と判断できる理由を答えてください。比は最も簡単な整数比で表します。

図2のように、まず気体が集まった側と観察結果を組にします。陰極側の「音を立てて燃える」は水素の性質なので、陰極側は水素です。陽極側の「線香が激しく燃える」は酸素の性質なので、陽極側は酸素です。酸素そのものが水素のように燃えると説明しないようにします。

次に体積の比を水素側から順に書きます。

水素 : 酸素 = 12 : 6

両方を6で割ると、12 ÷ 6 = 2、6 ÷ 6 = 1です。したがって比は2 : 1です。図2の12 mLと6 mLに戻すと、陰極側は陽極側の2倍であり、求めた比と合います。比を逆順に書けば1 : 2になるため、何と何の比かも明記します。

水が水蒸気になっただけなら、集めた物質は水です。この記録では水とは異なる性質をもつ水素と酸素が生じているので、水の分解と判断できます。水溶液中に加えた物質の役割は電流を流れやすくすることです。加えた物質を水素や酸素と取り違えず、何を調べて何が生じたかを答えます。

実際の記録で体積がきれいに2 : 1にならない場合は、漏れや空気の混入などが考えられます。比が少しずれたという一つの結果から、気体の名前を逆にすることはできません。確認操作の結果と装置の状態を合わせて検討します。

条件が変わったときの判断

次の観察記録も自作の問題です。炭酸水素ナトリウムの白い粉末を試験管に入れて加熱すると、管の内側に液体がつき、発生した気体を通した石灰水が白くにごりました。加熱後の白い固体と加熱前の粉末を別々に同じ質量ずつ取り、同じ量の水に入れて同じ条件で振ると、加熱後の固体の方がよく溶けました。各水溶液にフェノールフタレイン溶液を同量加えると、加熱後の水溶液の方が濃い赤色になりました。生じた気体と固体を答え、固体がもとの粉末とは異なると考える根拠を2つ挙げてください。液体の正体について、この記録からどこまで言えるかも答えます。

石灰水が白くにごったことから、気体は二酸化炭素と考えられます。加熱後の固体は炭酸ナトリウムです。加熱前より水に溶けやすいことと、水溶液のアルカリ性が強いことが、異なる物質と考える2つの根拠です。フェノールフタレイン溶液はアルカリ性の水溶液を赤色にするため、指定された同じ条件での色の違いを比べます。

管についた液体は水である可能性がありますが、液体がついたという観察だけでは水と確定できません。白い無水硫酸銅が青色に変わるかを調べるなど、性質を確かめる必要があります。問題の中に結果がない操作を、実際に行って成功したかのように書かないことが分かれ目です。

固体を比べる際は、取り出した質量、水の量、振り方などをそろえます。条件が違えば、溶け残りの違いが物質の性質によるのか判断しにくくなるためです。加熱を終えるときは、学校での操作として、加熱をやめる前に導管を水から取り出します。先に加熱をやめると、試験管内の気体が冷えて体積が小さくなり、水が逆流して熱い試験管が割れるおそれがあります。

誤答を観察へ戻して直す

「陰極側の気体が多いので酸素です」という答えは、量と気体の名前を逆に結びつけた例です。水の電気分解で多く集まるのは水素です。図3のように、極、性質、体積を別々の欄で対応させ、陰極側の気体が音を立てて燃えることを確認してから名称を記します。

図3では、水素が燃えることと、酸素がものを燃えやすくすることも分けています。「線香が激しく燃えたから、その気体が燃えた」という説明では、燃えた線香と酸素の役割が混ざります。線香が燃えるのを酸素が助けた、と書き直します。

「白い粉末が白いままなので変化していない」という答えも、色しか見ていません。色が同じでも、溶けやすさや水溶液の性質が異なれば別の物質と判断する根拠になります。逆に、溶け残りが出た一回の観察だけで断定せず、比較条件がそろっていたかを確かめます。

石灰水がにごらなかった場合も、直ちに二酸化炭素がないとは言えません。気体が十分に通らなかった可能性や漏れを調べます。ただし、原因を記録なしに決めつけず、「この結果だけでは判断できない」とするのが適切です。

練習問題

次の問題は、いずれも教材用の記録です。答えを見ずに、観察と判断を対応させてから解いてみてください。

1. 水に少量の水酸化ナトリウムを溶かした液を電気分解し、同じ温度と圧力で気体を集めました。陰極側が18 mL、陽極側が9 mLでした。各気体の名称と、陰極側から陽極側への体積比を最も簡単な整数比で答えてください。
2. 炭酸水素ナトリウムを加熱したところ、発生した気体を通した石灰水が白くにごりました。気体の名称を答え、管についた液体が水かどうかを調べる操作と、水であった場合の結果を答えてください。
3. 同じ質量の加熱前の炭酸水素ナトリウムと加熱後の固体を、同じ量の水に入れて同じように振りました。加熱後の固体の方がよく溶けました。この違いから何を考えられるか、白色という外見にも触れて答えてください。
4. 水を沸騰させて生じた水蒸気と、水の電気分解で生じた水素を比べます。それぞれの変化が状態変化と分解のどちらかを答え、その理由を物質の種類に触れて書いてください。
5. 電気分解で陽極側に集めた気体に火のついた線香を入れましたが、炎を上げませんでした。気体の漏れが疑われる記録しかないとき、酸素が生じなかったと断定できるか、理由とともに答えてください。

答えと考え方

1. 陰極側は水素、陽極側は酸素です。18 : 9の両方を9で割ると2 : 1です。元の18 mLは9 mLの2倍なので、比の向きも合っています。気体の名称は極と対応させ、体積の大小だけを名称として書かないようにします。
2. 二酸化炭素です。液体を白い無水硫酸銅につけ、青色に変わるかを調べます。青色になれば水があることを確認できます。石灰水の結果は気体についての証拠であり、液体についての証拠とは分けて使います。
3. 加熱後には、もとの炭酸水素ナトリウムとは性質の異なる物質が生じたと考えられます。両方とも白色でも、同じ条件での水への溶けやすさが異なるからです。外見が似ていることだけを根拠に同じ物質とすることはできません。
4. 沸騰は状態変化で、水という物質のまま液体から気体に変わります。電気分解は分解で、水から水素や酸素という別の物質が生じます。気体が現れることは共通ですが、生成物の種類が異なります。
5. 断定できません。気体が漏れて、線香の変化を観察するのに十分な量を集められなかった可能性があるからです。この記録から漏れが実際に起きたと断定することもできず、装置の接続と集まった量を確かめる必要があります。

手元に残す要点

• 分解は1種類の物質から2種類以上の別の物質が生じる化学変化です。
• 水の電気分解では陰極に水素、陽極に酸素が生じます。
• 炭酸水素ナトリウムの熱分解では炭酸ナトリウム、水、二酸化炭素が生じます。
• 状態変化では物質の種類は変わりません。
• 気体や固体は、観察した性質と条件を対応させて判断します。

答えの手前を見る

お子さまが気体の名前を逆に書いたときは、まず図の電極と集気管を指でたどり、どちらにどの確認操作を行ったかを説明してもらいます。名称が出ても性質と結びつかなければ、音を立てて燃える気体と線香を激しく燃やす気体を並べて比べます。

個別指導では、白い固体の前後を同一視していないか、比較した条件を言葉で示せるかも確かめます。結果が出なかった場合には、観察事実と考えられる原因を別々に書いてもらいます。物質の変化は、見た目の印象から離れ、生成物の性質を根拠にたどれます。