中学受験理科の二酸化炭素の性質—石灰水の変化と水への溶け方から気体を判断する｜武蔵野個別指導塾

石灰水に現れる白いにごりと、気体の体積が減った分を読み取ります。水への溶け方と空気との重さを分けて考えます。

二酸化炭素（にさんかたんそ）の問題では、観察した変化と、その変化から言えることを結びつけます。石灰水（せっかいすい）が白くにごること、水に溶（と）けること、同じ体積で空気より重いことを、それぞれ別の性質として整理しましょう。

よくあるのは、空気より重い気体なら水に全く溶けないと考える小5の場面です。重さの比較と水への溶け方は別の問いです。一方を知っただけで他方を決めず、問題にある観察や条件を読みます。

問われ方には、石灰水の変化から気体を選ぶ型、水と接した後に残った気体の体積を表から読む型、同じ体積の空気と重さを比べる型があります。どの型でも、まず何を比べた結果なのかに線を引きます。結果が足りなければ、知っている性質を無理につなげて結論を出さないことも大切です。

3つの性質を別々に見る

図1のように、二酸化炭素を含む気体を石灰水に通すと、石灰水が白くにごります。石灰水は二酸化炭素を調べるときに使う液体です。変化するのは気体の色ではなく、石灰水の見た目です。紙上の観察では、通す前と後の様子を見比べます。

図1では、石灰水の変化、水に溶ける性質、空気との重さの比較を別々に示しました。二酸化炭素は水に溶けますが、気体の量や水の量、温度などで、残り方は変わります。「溶ける」と「必ず全部溶ける」は同じ意味ではありません。水に接した後も気体が残る場合があります。

重さの比較には条件が必要です。同じ温度と圧力（あつりょく）で、同じ体積の気体を比べると、二酸化炭素は空気より重くなります。圧力は気体を押す程度を表します。体積の違う気体の重さをそのまま比べても、この性質の比較にはなりません。容器の重さを含む場合も、気体自体の重さと区別します。

気体の体積は、この先の問題では mL で表します。1 mL は体積の単位です。水に溶けた分を差で求めるときは、前後の体積を同じ条件で測ったという問題の指定を確認します。温度や圧力が変われば、溶ける以外の理由でも気体の体積が変わり得るからです。

石灰水の観察では、初めの状態も見逃せません。透明な石灰水が気体と接した後に白くにごったという記録なら、前後の違いを読み取れます。初めから白くにごっていたという記録なら、後の白さだけを見て新たな変化が起きたとは決められません。問題に前後の状態が書かれているかを確認します。

また、石灰水に変化が見えなかったとき、ただちに「二酸化炭素は全くない」と言い切るのも慎重に考えます。気体が十分に石灰水と接したか、観察できる条件だったかという情報が必要です。問題が気体の種類を選ばせる場合は、与えられた選択肢と観察条件を照らし合わせます。記録のない操作や結果を想像して足すことはしません。

水に溶ける性質を考えるときは、気体が見えなくなったかどうかだけでなく、気体として残った部分も見ます。水に溶けた二酸化炭素は、気体として測った体積の中には含めません。問題の表が何を測ったものかを確かめれば、水の中にある分と水の外に残る分を区別できます。

表から水に溶けた分を求める

次の結果を使います。密閉（みっぺい）した容器の中に二酸化炭素があり、水と十分に接した前後の気体の体積を、同じ温度と圧力の条件で測りました。気体が外へ漏（も）れたり、別の物質に変わったりはしていません。表の数はこの問題の条件です。減った体積にあたる二酸化炭素が水に溶けたとします。水に溶けた分を整数の mL で答えましょう。

図2のように、前の量を全体、後の量を残った部分として見ると、差が溶けた分です。図の長さは、前の80 mLを、残った50 mLと溶けた30 mLに分けて表しています。

順に書くと、次のようになります。

水と接する前は 80 mL です。

水と十分に接した後は 50 mL です。

溶けた分は 80 − 50 = 30 mL です。

答えは 30 mL です。図2の残った部分と溶けた部分を合わせると 50 + 30 = 80 mL となり、最初の量に戻ります。引き算をした後に足し算でも確認すると、何を引いたかを見失いにくくなります。

ここで50 mLは、容器内に気体として残った量です。溶けた量と取り違えると、表の後の値をそのまま答えてしまいます。逆に、80 mLのすべてが水に溶けたと考えると、気体として残ったという観察を見落とします。結果の表のそれぞれの数字に「前」「残り」と書き添えてから式を立てましょう。

ただし、この1回分の表から、別の水の量でも同じだけ溶けるとは決められません。また、時間を2倍にすれば溶ける量も2倍になるという決まりも、この表にはありません。問題が与えた条件の範囲で差を読むことと、どんな場合にも成り立つ決まりを作ることは違います。

観察がそろっているかで答えを分ける

次は、気体Aと気体Bについての紙上の記録です。Aを石灰水に通すと白くにごりました。Bを水と接する前後で調べると、同じ温度と圧力で測った気体の体積が 90 mL から 60 mL に減りました。Bは外へ漏れず、減った分が水に溶けたとします。AとBはそれぞれ別の気体です。Bについて、溶けた分を整数の mL で求め、Bが二酸化炭素だとこの記録だけで決められるか答えましょう。

Bの溶けた分は 90 − 60 = 30 mL です。前の90 mLから、後に気体として残った60 mLを引きました。60 + 30 = 90 mL と戻ることも確かめられます。一方、Bについて記録されているのは水に溶けたという結果です。水に溶ける気体が二酸化炭素に限られるとは、この記録には書かれていません。したがってBの名前は、この記録だけでは決められません。

Aには石灰水の変化が記録されています。この観察は二酸化炭素を調べる手がかりです。ただし、Aの結果をBに移して使うことはできません。どちらの気体を、どの液体で調べたかを結びつけるのが分かれ目です。名前を答える問題でも、表にない観察を勝手に補わないようにします。

また、Bの気体が減ったという記録に、漏れがないという条件がなければ、差をすべて水に溶けた分とは言えません。容器から出てしまった分と区別できないからです。測った前後の温度や圧力が異なる場合も、単純な差だけで判断することはできません。条件が十分な場合と、情報が足りない場合を分けて考えます。

水に接した前後の体積が同じだったとする別の記録を考えてみます。測定の精度や漏れなどの条件が記されていないなら、見かけの差がないことから、水に溶けた量が必ずゼロだとは決められません。問題が「減った分を溶けた分とする」と条件を明示している場合には、その条件のもとで差を求めます。現実の観察についての判断と、問題が与えた約束に従う計算とを区別します。

別々の容器で比べた記録では、容器ごとに測った気体を取り違えないことも必要です。片方の石灰水の結果と、もう片方の水の結果を1つの気体の性質として合体させると、どちらの記録にもない結論になります。表に気体の記号を書き、観察した液体と結果を同じ行に置いてから判断すると、対応が見やすくなります。

読み違えを直す

図3のように、「空気より重いから水に溶けない」という答えは、重さの比較を水への溶け方にすり替えています。二酸化炭素は同じ体積の空気より重く、水にも溶けます。重さの欄と水の欄を分けて書き、片方の性質からもう片方を決めないようにします。

もう1つの誤りは、石灰水が白くにごったときに「気体が白くなった」とすることです。見た目が変わった場所は液体です。容器の中のどの部分を観察したのかを図に指で示し、石灰水の欄に「白くにごる」と書き直します。水のように透明な液体であっても、水と石灰水は同じものとして扱えません。

体積の問題で後の値を溶けた量とする間違いには、「後の値は何として残った量か」を問い直します。漏れがない条件を確認し、最初の量から残りを引きます。反対に、条件が不足しているのに差を溶けた量と断定するのも誤りです。観察と条件を表に戻し、判断できない理由を言葉にします。

重さの問題にも注意点があります。空の容器と気体を入れた容器の重さが与えられた場合、先に容器を含めた値から空の容器の値を引いて、気体自体の重さを取り出します。容器が違えば、容器ごと比較した値の大小は気体の重さの大小をそのまま表しません。さらに気体の温度、圧力、体積がそろっているかを確かめてから比較します。

問題文に「同じ体積」と書かれていなければ、知っている性質だけで、異なる体積の2つの重さの大小を決められません。空気のほうが体積として十分に多ければ、空気全体の重さが大きくなることもあります。性質の説明には比較の条件を添え、個々の容器の重さを問う問題には、その容器の条件を使います。

自分で確かめる4問

次の問題では、数値はそれぞれの問題で与えた条件です。計算の答えは整数で、指定された単位を付けて答えましょう。まず問題を最後まで読み、答えを自分の紙に書いてから解き方を見てください。

1. 気体Cを石灰水に通したところ、液が白くにごりました。変化したのは気体と石灰水のどちらですか。また、調べる手がかりとなる気体の名前を答えましょう。
2. 二酸化炭素を入れた密閉容器で、水と接する前の気体は 120 mL、十分に接した後は 75 mL でした。同じ温度と圧力で測り、漏れや別の物質への変化はなく、減った分が水に溶けたとします。溶けた分は何 mL ですか。
3. 同じ温度と圧力で、二酸化炭素と空気をそれぞれ 200 mL ずつ比べます。気体自体の重さはどちらが大きいですか。水に溶けるかどうかも、二酸化炭素について答えましょう。
4. 気体Dは水と接した後に体積が減りましたが、容器から漏れがあったかどうかは記録されていません。前後の測定は同じ温度と圧力でした。減った体積のすべてが水に溶けたと決められますか。理由も答えましょう。

答えと考え方

1. 変化したのは石灰水です。気体を調べる手がかりは二酸化炭素です。白くにごった対象を読み取ると、液体の石灰水に変化が現れています。気体自体が白くなったと書き換えないようにします。

2. 120 − 75 = 45 なので、答えは 45 mL です。75 mLは水と接した後に気体として残った体積です。減った分が溶けたという条件を使います。75 + 45 = 120 と、残りと溶けた分を足して前の体積に戻ることも確かめます。

3. 重いのは二酸化炭素です。また、二酸化炭素は水に溶けます。同じ温度、圧力、体積で比べるので、気体自体の重さの性質を使えます。水に溶けるかは別の性質として答えます。

4. 決められません。漏れがあれば、水に溶けた分のほかに、容器の外へ出た分も含まれる可能性があります。温度と圧力がそろっていても、漏れの有無を調べる条件が欠けています。記録にないことを「漏れていない」と補ってはいけません。

覚えておくこと

• 二酸化炭素は石灰水を白くにごらせ、水に溶けます。
• 同じ温度・圧力・体積なら、二酸化炭素は空気より重いです。
• 体積の差を溶けた分とするには、測定条件や漏れがないことを確認します。
• ある観察から言える範囲と、まだ決められないことを分けます。

お子さまと表を見るとき

お子さまが「重いから溶けない」と答えたら、すぐに言い直す前に、重さを比べた条件と、水に接した結果を別々に指してもらいましょう。どちらか一方の欄だけを見ているのか、前後の体積を取り違えているのかが見えてきます。

計算でつまずいたときは、前の体積を長い線で表し、残った部分を区切ってみます。引いた後に残りと答えを足し、元の長さに戻るかも尋ねます。条件が足りない問題では、計算を急がず、何が記録されていないかを一緒に探します。観察の対象と測定の条件をそろえると、二酸化炭素の性質が整理できます。