【中学受験理科】燃焼と金属の酸化を図解で総まとめ—燃える条件 ろうそくの炎 金属の酸化の比例計算｜武蔵野個別指導塾

ろうそくの炎の3つの部分と、銅に結びつく酸素の量を図で整理します。加熱前後の重さの表、比例グラフ、加熱不足の記述問題を通して、燃焼を物質の出入りから考える力を育てましょう。

よくあるのは、美術室の床のタイルを見ながら、理科のプリントにある「銅を加熱すると重くなる」という答えに、お子さまが「燃えたら軽くなるはずなのに」と止まってしまう場面です。紙を燃やした後には少しの灰が残ります。ろうそくも使うと短くなります。その経験から考えると、金属が重くなるのは不思議に見えます。

ここで確かめたいのは、燃やす前と後で何を量っているかです。ろうそくでは、できた気体の多くが周囲へ出ていきます。一方、銅では、空気中の酸素が銅と結びつき、固体の中に加わります。目の前に残る物だけを見るか、出入りする物まで含めるかで、重さの見え方が変わります。

燃焼の学習では、用語を覚えることと、数値を読むことをつなげます。燃える条件からろうそくの炎へ進み、金属と酸素の重さの関係を表とグラフで確かめましょう。計算の前に「この数は何の重さか」を言えるようになると、式の選び方にも理由が生まれます。

この単元で身につけること

• 燃焼の3条件を説明します。燃える物、酸素、発火点以上の温度のどれが欠けても、燃え続けられないことを消火の理由につなげます。
• ろうそくの炎を3つの部分に分けます。外炎、内炎、炎心の位置を押さえ、明るさと温度を別々に考えます。
• ろうが燃えるまでの変化を追います。固体が液体になり、しんを上がり、気体になって燃える流れを説明します。
• 金属に結びつく酸素の重さを求めます。加熱後の固体の重さから、加熱前の金属の重さを引く意味を確かめます。
• 比例の表とグラフを読みます。金属、酸素、できた物の3つの重さを区別し、完全に反応した場合と加熱が不十分な場合を比べます。
• 酸化と還元の向きを区別します。酸素と結びつく変化と、酸化物から酸素が取り除かれる変化を、物質の移り変わりとしてとらえます。

前に学ぶ空気や気体の性質、固体・液体・気体の状態変化が土台になります。酸素が燃焼を助けることと、物が気体になっても存在することを思い出すと、この単元の重さの計算を理解しやすくなります。

基本の考え方

燃え続けるには3つの条件がそろいます

物が燃えるには、燃える物があること、酸素が供給されること、温度が発火点以上であることが必要です。発火点とは、物が燃え始めるのに必要な温度のことです。発火点は物によって異なるため、「熱い物なら何でも燃える」とは考えません。酸素は燃焼を助ける気体であり、酸素そのものを燃える物として数えないようにします。

ろうそくに火をつけると、最初は別の炎から熱を受けます。いったん燃え始めると、ろうそく自身の炎が次のろうを温め、燃焼が続きます。燃える物が残っていても、十分に冷やされれば燃え続けられません。また、空気の出入りを妨げると、燃焼を続けるための酸素が不足します。空気中には酸素以外の気体もあり、空気全体がそのまま燃焼に使われるわけではありません。

消火の理由を考えるときは、3条件のうち何を取り除くかを選びます。水による消火には、燃えている物から熱を奪い、温度を下げるはたらきがあります。ふたなどで空気の供給を断つ方法は、酸素の供給を妨げます。ただし、油や金属などの火災に水をかけると危険な場合があります。学習上の説明を、そのまま家庭での消火実験に置き換えないことが必要です。

燃えているろうそくに容器をかぶせる問題では、「容器の中の酸素が全部なくなったから」と書きがちです。実際には、酸素が減って燃焼を続けられなくなった段階で炎が消えます。炎が消えたことだけから、酸素が完全にゼロになったとはいえません。観察できた事実と、その事実からいえる範囲を分けましょう。

ろうそくでは気体になったろうが燃えます

ろうそくは、しんの先だけが燃えているように見えます。しかし、燃料の中心はろうです。炎の熱で固体のろうがとけて液体になり、液体のろうがしんに吸い上げられます。さらに加熱されて気体になったろうが、周囲の酸素と反応して燃えます。しんは液体のろうを運ぶ役目を果たします。

この流れの前半では、ろうが固体から液体、気体へと姿を変えています。これは状態変化です。後半では、ろうが酸素と反応して別の物になるため、単なる状態変化ではありません。十分な酸素があると、ろうの燃焼によって二酸化炭素と水ができます。水は高温では水蒸気となり、冷えると液体の水滴になります。二酸化炭素は石灰水を白くにごらせる性質で確かめられますが、実験ではもともと器具についていた水や周囲の空気の影響にも注意します。

図1のように、ろうそくの炎は外側から外炎、内炎、炎心に分けます。図は位置関係を示した模式図で、色や各部分の幅を実物の比率で再現したものではありません。

外炎は周囲の酸素と接しやすく、最も温度が高い部分です。内炎は明るく見えますが、最も高温ではありません。内炎の明るさには、十分に燃えきっていない細かい炭素の粒が熱せられて光ることが関係します。炎心には、まだ十分に燃えていない気体のろうがあり、暗く、温度は3つの部分の中で最も低くなります。

「明るいから熱い」と見た目だけで決めると、内炎と外炎を取り違えます。覚えるときは「酸素と接しやすい外側でよく燃え、外炎が最も高温」と理由も続けます。なお、炎の温度を手で確かめたり、紙や金属を近づけたりする必要はありません。学校や塾で扱う場合も、大人が管理する設備で、決められた手順と保護具に従う実験です。

金属の酸化では空気から酸素が加わります

物質が酸素と結びつくことを酸化といいます。燃焼は、熱や光を強く出しながら進む激しい酸化です。一方、鉄がさびるように、炎を出さずにゆっくり進む酸化もあります。「炎がないから酸化していない」とは判断できません。

銅を空気中で十分に加熱すると、酸素と結びついて黒い酸化銅ができます。酸化銅の重さには、もとの銅と結びついた酸素の両方が含まれます。銅がこぼれたり、できた固体が失われたりしないなら、「酸化銅の重さ＝銅の重さ＋結びついた酸素の重さ」と考えられます。器具ごと量った数値が与えられた場合は、器具の重さを除き、物質だけの重さをそろえてから比べます。

この単元の計算では、銅がすべて黒い酸化銅になる場合、銅と結びつく酸素の重さの比を4：1として扱います。したがって銅、酸素、酸化銅の重さの比は4：1：5です。マグネシウムがすべて酸化マグネシウムになる問題では、金属と酸素の比は3：2、できた物まで含めると3：2：5です。どちらも同じ比ではないので、問題の表や条件から物質ごとの関係を確かめます。

酸化の逆向きに、酸化物から酸素が取り除かれる変化を還元といいます。たとえば酸化銅から酸素が取り除かれると銅になります。炭素を用いて酸化銅を還元する学習では、取り除かれた酸素は炭素と結びつくと考えます。酸素そのものが消えてなくなるわけではありません。還元は単に冷やすことでも、黒い色をぬぐい取ることでもなく、物質の変化です。家庭で強く加熱して確かめる実験にはしません。

例題で解き方を確かめる

例題1　最も明るい部分と最も高温の部分

ろうそくの炎について、最も明るく見える部分と、最も温度が高い部分を、それぞれ答えましょう。また、最も高温の部分が外側にある理由を説明しましょう。

1. 図1で外側から外炎、内炎、炎心の順に位置を確かめます。先に名前と位置を対応させると、問いに出る「外側」がどの部分か決まります。
2. 「明るさ」と「温度」を別の観察項目として読みます。内炎は明るいものの、最も高温という性質は外炎に当てはまるからです。
3. 外炎と周囲の空気との接し方を考えます。外炎は酸素と接しやすく、よく燃えるため、温度が最も高くなります。

答え：最も明るいのは内炎、最も高温なのは外炎で、外炎は周囲の酸素と接しやすく、よく燃えるためです。

理由を書くときに「外側だから」だけでは、場所を言い直しただけになります。「酸素と接しやすい」を加えると、燃焼の条件と炎の特徴がつながります。温度の具体的な数値を覚えなくても、この関係から判断できます。

例題2　加熱前後の表から酸素の重さを求める

異なる重さの銅を、空気中でそれぞれ十分に加熱しました。銅はすべて黒い酸化銅になり、固体の損失はなかったものとします。表の重さは器具を含みません。銅2.4 gに結びつく酸素の重さと、できる酸化銅の重さを求めましょう。

1. 加熱後から加熱前を引きます。増えた分が空気から加わった酸素なので、各行の酸素は1.0−0.8＝0.2 g、2.0−1.6＝0.4 g、4.0−3.2＝0.8 gです。
2. 銅と酸素の重さの比をそろえます。0.8：0.2、1.6：0.4、3.2：0.8はいずれも4：1なので、銅の重さが何倍になると酸素も同じ倍になります。
3. 銅2.4 gは0.8 gの3倍と考えます。必要な酸素は0.2×3＝0.6 g、酸化銅は2.4＋0.6＝3.0 gです。

答え：結びつく酸素は0.6 g、できる酸化銅は3.0 gです。

図2のように、横軸を銅、縦軸を結びつく酸素の重さにすると、表の点は原点を通る直線上に並びます。図中の点には、表の3組に加え、今求めた銅2.4 gと酸素0.6 gの組も含めています。

グラフを読むときは、横軸の1目盛りが0.8 g、縦軸の1目盛りが0.2 gであることに注意します。同じ長さの目盛りでも、表している重さは同じとは限りません。また、縦軸が「酸化銅の重さ」だったら、銅0.8 gに対して1.0 gの点になります。直線の形だけで何のグラフかを決めず、軸の名前を必ず読みます。

例題3　加熱が不十分だった銅を考える

銅4.0 gを加熱したところ、加熱後の固体全体は4.6 gでした。固体は酸化銅と、まだ反応していない銅だけで、こぼれた物はありません。反応した銅と、反応せずに残った銅の重さを求めましょう。銅と結びつく酸素の重さの比は4：1です。

1. 実際に加わった酸素の重さを出します。固体全体の増加分を使い、4.6−4.0＝0.6 gと求めます。加熱後の4.6 gには未反応の銅も含まれるため、全体を酸化銅とは呼べません。
2. 酸素0.6 gと結びついた銅を求めます。比が4：1なので、反応した銅は0.6×4＝2.4 gです。もとの4.0 gではなく、実際に結びついた酸素に対応する銅を計算します。
3. はじめの銅から反応した分を引きます。反応せずに残った銅は4.0−2.4＝1.6 gです。できた酸化銅は2.4＋0.6＝3.0 gで、これと残った銅を足すと4.6 gに戻ります。

答え：反応した銅は2.4 g、反応せずに残った銅は1.6 gです。

同じ固体を、十分に酸素が供給される条件でさらに加熱し、残った銅もすべて酸化させると、最終的な酸化銅は5.0 gになります。追加で結びつく酸素は5.0−4.6＝0.4 gです。「増加分を出す→対応する銅を出す→残りを出す」という順番なら、全体と反応した部分を混同しにくくなります。

例題4　重さが一定になった理由を記述する

同じ銅を、空気と十分に触れさせながら繰り返し加熱しました。毎回、冷えてから固体だけの重さを量ると、はじめは増えましたが、やがて変わらなくなりました。銅がすべて酸化銅になったものとして、前半で重さが増えた理由と、後半で重さが変わらなくなった理由を説明しましょう。

1. 物質の出入りを調べます。前半は空気中の酸素が銅に加わるので、固体の重さが増えます。「熱が重さになった」とは説明しません。
2. 問題の完了条件を読みます。銅がすべて酸化銅になった後は、同じ条件でさらに結びつく酸素がなくなるため、重さが増えなくなります。
3. 2つの段階を続けて書きます。単に「反応が終わった」とするより、何が加わり、何がなくなったのかを示すと、理由が伝わります。

答え：はじめは銅に酸素が結びついて重くなり、銅がすべて酸化銅になると、それ以上酸素が結びつかなくなって重さが一定になったためです。

実験結果だけを読む場合には、重さが変わらない原因が酸素不足や加熱不足でないかも考えます。この例題では、空気と十分に触れさせ、すべて酸化銅になったという条件があるため、反応の完了と結びつけられます。条件を省かずに読むことも記述問題の一部です。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　燃えた物は必ず軽くなると考える

誤った書き方は「燃焼すると物がなくなるので、必ず軽くなる」です。どこが違うかというと、固体から気体になって周囲へ出た物と、空気から固体に加わった酸素を数えていない点です。ろうそくが短くなっても、その物質が何もないところへ消えたわけではありません。

正しい書き方は「量る物の範囲と、物質の出入りを確かめて重さを考える」です。銅を量るなら、空気中から結びついた酸素の分だけ重くなります。ろうの燃焼でも、使われたろうと酸素の重さの合計は、できた二酸化炭素と水の重さの合計に対応します。ただし家庭で容器を密閉して燃焼させる実験は行わず、物の出入りを紙に書いて考えます。

図3のように、例題3の加熱後の固体は、できた酸化銅と残った銅に分けられます。棒の長さは重さに比例させてあり、加わった酸素だけが橙色で増えています。

図3の緑色は酸化銅に含まれる銅、灰色は未反応の銅です。色は成分を区別するためのもので、実物の色ではありません。下の棒の緑色と橙色を合わせた3.0 gが酸化銅で、残った銅1.6 gを合わせると固体全体の4.6 gになります。

誤り2　酸化銅の重さを酸素の重さとして使う

誤った書き方は「銅0.8 gから酸化銅1.0 gができたので、銅：酸素＝0.8：1.0」です。どこが違うかというと、1.0 gが銅も含んだ合計なのに、加わった酸素だけの量としている点です。「加熱後」と「増加分」は違う数です。

正しい書き方は「酸素は1.0−0.8＝0.2 g、銅：酸素＝0.8：0.2＝4：1」です。ノートには数の上に「銅」「酸素」「酸化銅」と書いておくと、比の順番が見えます。逆に酸化銅3.0 gから含まれる銅を求めるなら、全体の比は5なので、3.0÷5×4＝2.4 gです。全体を4で割らないようにします。

誤り3　どの加熱結果も完全に反応した比に当てはめる

誤った書き方は「銅4.0 gを加熱したなら、実際に結びついた酸素は必ず1.0 g」です。どこが違うかというと、1.0 gは銅がすべて酸化銅になったときの酸素の量であり、加熱不足の途中の値ではない点です。例題3では、実際に加わった酸素は0.6 gでした。

正しい書き方は「完全に反応したときの値と、実測の増加分を比べる」です。図2の直線も、すべての銅が酸化銅になる場合の関係です。同じ銅の重さで増加分が小さい場合は、未反応の銅が残る可能性を考えます。ただし物がこぼれた場合などは同じ計算ができないので、固体の損失がないという条件も合わせて確かめます。

ここで手が止まるなら、止まった単元まで一緒に戻ります。学年別個別指導コース／お問い合わせ

練習問題

次の4問では、先に求める物の名前を書き、それから数値を使いましょう。計算問題では、固体の損失はなく、示した物質以外との反応は考えないものとします。

練習1

燃焼の3条件を答えましょう。また、燃えているろうそくに容器をかぶせて炎が消えたとき、「酸素が完全になくなった」と断定してよいか、理由も説明しましょう。

練習2

銅と結びつく酸素の重さの比を4：1とします。銅6.4 gをすべて酸化銅にすると、結びつく酸素と、できる酸化銅はそれぞれ何gですか。また、酸化銅4.0 gに含まれる銅は何gですか。

練習3

銅8.0 gを加熱すると、固体全体が9.2 gになりました。固体は酸化銅と未反応の銅です。銅と酸素の重さの比を4：1として、反応した銅と残った銅を求めましょう。さらに、残った銅もすべて酸化銅にするために必要な酸素は何gですか。

練習4

マグネシウムをすべて酸化マグネシウムにすると、次の結果が得られました。マグネシウム1.8 gに結びつく酸素と、できる酸化マグネシウムはそれぞれ何gですか。表から比を求めて考えましょう。

答えと解説

練習1の答えは、燃える物、酸素、発火点以上の温度です。酸素が完全になくなったとは断定できません。燃焼を続けられない程度まで酸素が減ると炎が消えるためで、消えたことは酸素がゼロである証拠にはなりません。

練習2の答えは、酸素1.6 g、できる酸化銅8.0 g、酸化銅4.0 gに含まれる銅3.2 gです。酸素は6.4÷4＝1.6 g、酸化銅は6.4＋1.6＝8.0 gです。逆向きの計算では、銅：酸化銅＝4：5なので、4.0÷5×4＝3.2 gとなります。

練習3の答えは、反応した銅4.8 g、残った銅3.2 g、追加で必要な酸素0.8 gです。実際に結びついた酸素は9.2−8.0＝1.2 gです。これに対応する銅は1.2×4＝4.8 g、残りは8.0−4.8＝3.2 gです。残った銅には3.2÷4＝0.8 gの酸素が必要で、最終的な固体は10.0 gになります。

練習4の答えは、酸素1.2 g、酸化マグネシウム3.0 gです。表の1行目から酸素は1.0−0.6＝0.4 gなので、マグネシウム：酸素＝0.6：0.4＝3：2です。1.8 gは0.6 gの3倍ですから、酸素は0.4×3＝1.2 g、酸化マグネシウムは1.8＋1.2＝3.0 gです。銅の4：1を使わず、表から求め直すことが要点です。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

燃焼で使った「反応する前の物」「加わった物」「できた物」の整理は、水溶液の反応や気体の発生量の計算にも使えます。また、ろうがとける変化と、ろうが燃える変化の区別は、状態変化と物質の変化を分けて考える土台になります。

家庭では、保護者が付き添い、火を使わずに次の2つを各5分ほどで確かめられます。1つ目は図1を見て、外炎、内炎、炎心を指し、最も明るい部分と最も高温の部分を別々に答えることです。その後、「外炎はなぜ高温か」を酸素という語を使って説明してもらいます。

2つ目は、紙に「銅4 g」「酸素1 g」「酸化銅5 g」と書き、加える向きと差を求める向きの両方を指でたどることです。「酸化銅10 gなら銅と酸素はそれぞれ何gか」と尋ねると、銅8 g、酸素2 gと、比の全体まで理解しているかを確かめられます。

個別指導では、比の計算に進む前に、加熱後の重さに何が含まれるかまで戻って確かめます。引き算の理由があいまいなら、図3の棒を使って、もとの銅と加わった酸素を分けてから式に戻ります。

まとめ

「燃えると軽くなる」という見方から一歩進むには、量っている物の外側にも目を向ける必要があります。見えない酸素が加わることや、できた気体が周囲へ出ることを説明できれば、燃焼の知識と重さの計算は別々の暗記ではなくなります。

答えが合っていても、酸素の重さをどの差から求めたのかを言葉にして確かめましょう。その説明には、物質の名前、反応の条件、数値の意味がそろいます。燃焼の計算を決めるのは、炎の見た目ではなく、何がどれだけ結びついたかです。