中2定期テスト 化学変化と質量—実験ワークの記録表から反応前後の量を確かめる｜武蔵野個別指導塾

ふたの有無と測定範囲を図で整理し、逃げた気体や反応物の余りを記録表から求め、質量保存を読み解きます。

よくあるのは、気体が逃げた実験の表を見て、反応後の質量が減ったから質量保存の法則に反すると考える場面です。まず範囲表で化学変化と質量が入っているかを見て、授業ノート、実験ワーク、小テストを並べます。ふたのある容器と、気体が外へ出る容器を同じように扱っていないか、記録の訂正欄から調べましょう。未習の内容は今回の範囲から外します。

測った範囲を記録欄に戻す

範囲表に記された学期と単元を確認し、その部分の授業プリントと提出物を取り出します。実験の図にふたがあるか、反応前後に何をまとめてはかったかを、余白に短く書きます。容器も含むのか、容器の中身だけなのかによって、数字の意味が変わるからです。下の整理は実際の学校の記録ではなく、作り方を示すための例です。

問題は、前後の質量を比べる型、気体など出入りした物質の質量を求める型、決まった割合で反応する物質の過不足を求める型に分けられます。間違いにも「測定範囲を取り違えた」「差の意味を取り違えた」「余った物質を除いてしまった」という札を付けます。赤で正答を写して提出が終わっていても、元の表を隠して解き直せるとは限りません。訂正の横に原因と次に見る場所を残しておくと、後で確かめられます。

ふたと境界を先に見る

化学変化では、反応の前後で物質の種類が変わっても、反応に関わる物質全体の質量は保存されます。容器を閉じて物質が出入りしない場合、容器を含めて同じ範囲をはかれば、前後の質量は等しくなります。これを質量保存の法則といいます。名称は覚え、なぜ測定値を比べられるかは、測定範囲に沿って説明できるようにします。

開いた容器では、発生した気体が外へ出ることがあります。はかりに残ったものの質量は減りますが、外へ出た気体も含めれば全体の質量は保存されます。減った分が発生した気体の質量に等しいといえるのは、気体が外へ出る以外に物質の出入りがなく、こぼれたり蒸発したりしないという条件の下です。反対に、空気中の酸素を取り込む反応なら、測定範囲に入ってくる分だけ質量が増えることもあります。増減の向きは、物質がどちらへ移動したかで判断します。

図1のように、閉じた範囲と開いた範囲を分けて考えます。気体が外へ出ても、質量が消えるわけではありません。測定対象の境界を鉛筆で囲んでから、その境界をまたぐ物質を指でたどります。

図1の左では気体が容器内に残り、右では外に出ます。どちらも容器とその中身を測定しますが、右の測定範囲には逃げた気体が入りません。物質の出入りがあるかどうかを最初に確かめることが、式を選ぶ前の一手です。

気体を集める装置がついている場合も、その装置がはかりの上にあるかを見ます。集めた気体が測定範囲の中に残るなら、その質量も測定値に含まれます。

記録表の空欄を埋める

次は自作の条件です。容器の中で物質を反応させ、気体が発生しました。反応の前後に、容器と中身をまとめてはかります。気体が逃げる場合以外に物質の出入りはなく、こぼれや蒸発もないものとします。閉じた容器では気体は外へ出ません。開いた容器では発生した気体がすべて外へ出ます。それぞれ別の同じ条件の実験として、空欄の質量をgで求めましょう。

閉じた容器から考えます。容器も中身も測定範囲に入り、物質の出入りがありません。そのため反応後は反応前と同じ120.0 gです。気体が生じても容器内に残っているので、気体ができた分を引く必要はありません。

開いた容器では、反応後にはかりに残ったのが118.4 gです。測定範囲から出たのは気体だけなので、前後の差を求めます。120.0 − 118.4 = 1.6より、外へ出た気体は1.6 gです。差の計算だけで終えず、118.4 gに1.6 gを戻すと120.0 gになることを確かめます。図2のように、残ったものと外へ出た気体を合わせた全体で比較すると、前後が対応します。

図2では、反応前の120.0 gを、反応後にはかりに残る118.4 gと外へ出る1.6 gに分けています。容器の質量を別に求める必要はありません。前後とも容器を含め、同じ容器を使っているので、その分を含む全体で比較できるためです。

答案の理由欄には「発生した気体が容器の外へ出て、はかりに残る質量が減ったから」と書けます。「気体は重さがないから」とは書けません。逃げた気体にも質量があり、差として求めた1.6 gがその量です。また、条件にない出入りを勝手に足してはいけません。問題文が気体の一部を集めたと述べる場合は、どこまでが測定範囲かを図に書き加えてから考えます。

反応した量と余った量を分ける

続いて、反応する割合と余りを考えます。ここでの数値は計算のために与えた条件で、実験で得られた実測値ではありません。物質Aと物質Bは、A 2.0 gに対してB 3.0 gの割合で過不足なく反応し、生成物Cだけになります。閉じた容器内でA 6.0 gとB 6.0 gを十分に反応させます。容器の質量を除き、できたCと余った物質の質量をそれぞれgで求めてください。

まずA 6.0 gが全部反応する場合に必要なBを調べます。Aは2.0 gの3倍ですから、必要なBは3.0 gの3倍で9.0 gです。実際のBは6.0 gなので足りません。したがってBが先に使い切られ、Aが残ります。「量の大きいほうが余る」と、用意した質量の大小だけでは決められません。反応に必要な割合と比べます。

B 6.0 gは3.0 gの2倍です。このBと反応するAは2.0 gの2倍で4.0 gです。Aの余りは6.0 − 4.0 = 2.0 g。反応したAとBの合計は4.0 + 6.0 = 10.0 gなので、生成物Cは10.0 gです。残ったA 2.0 gも反応後に容器内にあります。Cと余ったAを合わせると12.0 gで、反応前の6.0 + 6.0 = 12.0 gに戻ります。

生成物の質量と反応後の中身全体の質量は、余りがあると一致しません。問題が「できたC」を聞くか、「反応後の中身」を聞くかを囲んでから答えます。反応後の中身なら12.0 gです。ふたが閉じていることは全体の保存を考える条件であり、各物質が必ず全部反応するという意味ではありません。

もう一つ、割合を表にして見ます。A 2.0 gとB 3.0 gの組を基準にすると、2組ではA 4.0 gとB 6.0 gです。今回のBはちょうど2組分なので、Aを3組分用意していても、3組目は反応に使えません。残るAは1組分の2.0 gです。表を使う方法と、必要なBを先に求める方法は、同じ条件に戻れば同じ答えになります。

反応する割合は、問題で与えられた物質の組について使います。別の物質でも同じ割合になると決めつけず、その問題の条件を読み直します。また、閉じた容器の質量を含む表と、容器を除いた中身の表は、数字をそのまま混ぜられません。求める対象の横に「容器を含む」または「中身」と書いておくと、引き算に使う値を選びやすくなります。

十分に反応させたという条件も読み落とさないようにします。途中で反応を止めた場合には、両方の物質が残る可能性があり、用意した量と割合だけで今回と同じように決めることはできません。条件を確かめてから計算を始め、結論を元の数量に戻して点検します。

赤い答えを原因から直す

基本例題の開いた容器で、「反応後が118.4 gだから、質量保存の法則は成り立たない」と書いたとします。原因は、反応前の全体と、気体が出た後に残った部分とを、そのまま同じ範囲だとみなしたことです。図3のように、残った部分に逃げた気体を加えてから前と比べます。

図3の訂正では、118.4 gに1.6 gを加えると120.0 gになり、反応前の全体に戻ります。「減った」という観察は正しいまま、その理由を直します。気体の質量を引いた後にさらにもう一度引く誤りもあるので、式の横に「残った量」「出た量」を書き分けます。

過不足の例でCを12.0 gとした場合は、残ったA 2.0 gをCに混ぜた可能性があります。反応したA 4.0 gとB 6.0 gからCを求め、余りは別欄に移します。直した後は数字を隠し、何が使い切られたか、余りをどこに置くかを言葉で説明してください。数が同じでも、答える対象が違えば正答にはなりません。

記録欄で試す4問

以下の数値と物質名は練習用に与えた条件です。それぞれ独立した問題として解き、質量はgで答えてください。必要な条件は各問に書いてあります。

1. 閉じた容器と中身の質量は反応前に85.0 gでした。中で気体が発生しましたが、物質の出入りはありません。反応後の容器と中身の質量を求めてください。
2. 開いた容器と中身は反応前に64.5 g、反応後に63.8 gでした。発生した気体はすべて外に出て、それ以外の出入りやこぼれ、蒸発はありません。気体の質量を求め、測定値が減った理由を1文で書いてください。
3. 物質D 3.0 gと物質E 1.0 gが過不足なく反応して、生成物Fだけになります。D 9.0 gとE 2.0 gを閉じた容器内で十分に反応させました。できたFと余った物質の質量をそれぞれ求めてください。
4. ある物質が空気中の酸素と結び付き、固体の生成物だけになります。容器を除いた固体の質量は反応前4.0 g、反応後5.2 gでした。酸素以外の出入りや損失はありません。取り込んだ酸素の質量を求め、増えた理由を1文で書いてください。

答えと解き方

1. 85.0 gです。閉じた容器では発生した気体も中に残り、容器と中身の全体には物質の出入りがありません。したがって測定範囲の質量は変わりません。前の85.0 gと後の85.0 gを比べて、範囲が同じであることを確かめます。
2. 0.7 gです。64.5 − 63.8 = 0.7と計算します。理由の例は「発生した気体が容器の外へ出たから」です。63.8 + 0.7 = 64.5となり、逃げた気体を戻すと前の全体に一致します。減少の事実と気体の行き先がつながっていれば、表現が多少違ってもかまいません。
3. Fは8.0 g、余るDは3.0 gです。E 2.0 gと反応するDは3.0 gの2倍で6.0 gです。Dは9.0 gあるのでEが先に使い切られます。Fは反応した6.0 gと2.0 gを合わせた8.0 g、Dの余りは9.0 − 6.0 = 3.0 gです。反応後の8.0 + 3.0 = 11.0 gは、反応前の9.0 + 2.0 = 11.0 gに一致します。
4. 1.2 gです。5.2 − 4.0 = 1.2と求めます。理由の例は「空気中の酸素が固体と結び付いたから」です。もとの4.0 gに酸素1.2 gを加えると5.2 gに戻ります。増えた量は外から入った酸素であり、何もないところから質量が生じたわけではありません。

次の1問で残すこと

ふたと測定範囲を囲み、出入りする物質を矢印で示します。
反応した量と余りを分け、最後に前後の全体を照合します。

解き直しを次につなげる

範囲表と解き直したワークを並べ、記録表の空欄で止まったのか、理由欄で止まったのかを見ます。お子さまが数値を引けても、差が何の質量か言えない場合は、容器の図に測定範囲と気体の行き先を書き足してみてください。過不足で迷う場合は、必要な量と用意した量を別々に記し、使い切る物質を決めるところからやり直します。

個別指導で確認するときは、正解の数字だけでなく、訂正前の式と授業の記録も見せると、境界の読み違いと割合の取り違いを区別できます。条件を読み、反応後の物質を残らず数え直す習慣が、質量の表を読み解く力につながります。