中学受験理科の気体の発生と集め方—水への溶け方と空気との重さで装置を選ぶ方法｜武蔵野個別指導塾

水に溶けやすい気体の容器の向きや導管の位置を、押し出される空気の道筋から、装置を選び、気体を集めます。

気体を集める装置を選ぶときは、まず水に溶けやすいかを見ます。水に溶けにくい気体なら水を押し出して集める方法を使えます。水に溶けやすい気体では空気を押し出す方法を考え、空気と同じ体積で比べた重さに注目します。

よくあるのは、上方、下方という名前の上下だけで容器の向きを丸暗記する小6の場面です。容器の口が上なのか、気体が上に行くのかが混ざると、覚えたはずの図が逆になります。容器に入る気体と、外へ出る水や空気を別々にたどれば、名前と形を結び直せます。

問われ方には、気体の性質から集め方を選ぶ型、装置の図から口や導管（どうかん）の位置を選ぶ型、材料と発生する気体を結びつける型があります。複数の条件が表にある場合は、気体の名前だけで決めず、その問題で与えられた性質と図を対応させましょう。ここで扱う実験は紙上の装置や結果を読むものです。薬品や気体は学校で先生の指示のもとに扱います。

水と空気のどちらを押し出すか

置換（ちかん）とは、容器にあるものを別のものに入れ替えることです。水上置換（すいじょうちかん）は、水で満たした容器の中へ気体が入り、水を押し出す集め方です。図1のように容器の口は水の中で下を向き、導管の先から入った気体が上にたまります。水に溶けにくく、水と反応しない気体に使えます。酸素や水素は代表例です。

図1の水上置換では、水面より下に口があり、外から空気が入りにくい形です。気体が入った分だけ水面が下がる様子を読みます。ただし水に少し溶ける気体もあるため、水上置換で集めたものが必ず完全に純粋だとは言えません。水に非常によく溶ける気体は、水に取られてしまうので、この方法には向きません。

空気を押し出す方法には、上方置換（じょうほうちかん）と下方置換（かほうちかん）があります。上方置換は、空気より軽い気体を、口を下に向けた容器の上部へ集めます。気体は上にたまり、もとの空気は下の口から出ます。下方置換は、空気より重い気体を、口を上に向けた容器の下部へ集めます。気体が下にたまり、もとの空気は上の口から出ます。

名前の「上方」「下方」は集める気体がたまる側と結びつけると整理できます。口の向きはその反対です。導管の先も、集める気体が入り始める容器の奥に置きます。水上置換と違い、空気と混ざりやすいので、空気を押し出す方法で集めた気体も完全に純粋とは限りません。

空気との重さは、同じ体積で比べます。たくさんの軽い気体と少しの空気を比べても、集め方に必要な比較にはなりません。また、水への溶け方と空気との重さは別の性質です。空気より重いから水に溶けない、あるいは軽いから水に溶ける、と決めることはできません。

表から装置を選ぶ

次の基本例題は紙上の条件です。気体Aは水に溶けにくく、水と反応しません。気体Bは水によく溶け、同じ体積の空気より重いものとします。それぞれに適した集め方を1つ選び、容器の口と導管の先の位置を答えましょう。答えは方法の名前と位置を言葉で書きます。

図2のように、先に水を使えるかを調べ、その後に必要なら空気との比較へ進みます。条件を一度に覚えようとせず、次の順に1行ずつ判断します。

1. Aは水に溶けにくく、水と反応しないので、水上置換を選びます。
2. Aの容器は口を下にして水中に置き、導管の先を口から容器の中へ入れます。
3. Bは水によく溶けるので、水上置換は適しません。
4. Bは同じ体積の空気より重いので、下方置換を選びます。
5. Bの容器は口を上に向け、導管の先を容器の底に近いところへ入れます。

Bの気体が下に入り、空気が上の口から押し出されることまで説明できれば、容器の向きと導管の位置を同時に確認できます。単に「重いから下」と答えた場合は、何が下にたまり、何がどこへ出るのかを言葉にすると、図を反対に描く間違いを防げます。

Aでは空気との比較を使いません。水を押し出せる条件が与えられているためです。一方、Bの水への性質だけでは、空気を使うときの容器の向きは決まりません。重さの比較を加えて初めて、この例の向きを選べます。必要な条件と不要な条件を区別することも表を読む力です。

材料と性質が別々に示されたとき

少し難しい例題です。次の材料の組合せから出る気体をそれぞれ答え、指定された条件での集め方を選びます。過酸化水素水（かさんかすいそすい）と二酸化マンガンを使った組合せをP、石灰石と塩酸（えんさん）を使った組合せをQとします。Pは水上置換、Qは水を使わずに集める条件です。答えは気体名と方法名で書き、Qでは容器の口の向きも答えます。

Pからは酸素が発生します。酸素は水に溶けにくいため、指定された水上置換で集められます。Qからは二酸化炭素が発生します。二酸化炭素は同じ体積の空気より重いので、水を使わない条件では下方置換を選び、口を上に向けます。

ここでの分かれ目は、Qについて「水を使わない」という条件が付いている点です。二酸化炭素は水に溶けますが、酸素に比べて溶けやすいということと、水上置換がいつも不可能だということは同じではありません。少し水に溶けることを踏まえて水上置換で集める場合もあります。この問題では指定された条件に合わせ、空気との重さから下方置換を選びます。

設問の言葉を図に書き添えると、指定された方法と、自分が考えた方法を区別できます。

材料から気体を決める作業と、気体の性質から集め方を決める作業は別です。材料を見て二酸化炭素だとわかっても、設問が水を使うかどうかを指定していれば、その指定まで読んでから装置を選びます。材料名と装置名を一組として丸暗記すると、条件が変わったときに理由を説明しにくくなります。

アンモニアは水に非常によく溶け、同じ体積の空気より軽い気体です。比較として考えると、水上置換ではなく上方置換を選びます。容器の口を下に向け、気体を上部へ入れて空気を下へ押し出します。性質を読むための比較であり、ここではアンモニアの発生方法には立ち入りません。

装置の情報が足りるかを確かめる

図に容器の向きだけが描かれ、導管の先が示されていない場合、その図から管の先の正しい位置まで読み取ったことにはなりません。口の位置と管の先は別々に確認する項目です。設問が不足している情報を補う問題なら、気体を入れる場所と押し出されるものの出口を考えて描き足します。反対に、性質も選択肢も示されていない場合には、図の向きだけで気体の名前を一つに決めることはできません。

水上置換の図では、水そうの水と容器内の水を区別して見ましょう。気体が容器に入るにつれて、容器内の水が外へ押し出されます。水面が下がるのは容器内の水であり、水そのものが気体になったという意味ではありません。水を押し出した体積を気体の体積として読む場合にも、問題の条件や目盛りを確かめます。

空気を使う図では、容器の中に初めから空気がある点が手がかりです。軽い気体を上部に入れる図と、重い気体を下部に入れる図を比べ、もとの空気が口に向かう道筋をそれぞれたどります。空気と気体は混ざることもあるため、境目を線で描いた図は、集まる場所を考えるための模式図（もしきず）として読みます。実際に必ずくっきり分かれるという意味ではありません。

材料の組合せを答える設問では、同じ材料の名前を見つけただけで先へ進まず、もう一方の材料も確認します。発生した気体を集める設問では、さらに水への性質や問題の指定を確認します。途中の条件が欠けているときに、覚えている装置をそのまま当てはめないことが、誤った一組を選ぶのを防ぎます。

逆に描いた図を直す

「空気より重い気体は下方置換だから、容器の口も下」と答える誤りを考えます。名前の下方を口の向きと結びつけたことが原因です。図3のように、重い気体は容器の下部にたまり、空気は上へ押し出されます。口を上に向け、導管の先を下部に入れる図に直します。

図3の左の向きでは、下側の口から重い気体が出やすく、空気を上へ追い出してためる形になりません。右では気体が下から増え、空気の通り道が上の口につながっています。直すときは「下方」の文字だけでなく、入る気体と出る空気の両方を指でたどります。

もう一つの誤りは、水によく溶けるという条件を見落として水上置換を選ぶことです。容器の向きが正しくても、水に溶けてしまえば集める方法として適しません。まず水への性質に印を付け、使えないと判断してから、空気との重さを見る順に戻します。

導管の先を口の近くで止める誤りにも注意します。空気を押し出す装置では、容器の奥に気体を入れ、反対側の口から空気が出る道筋を考えます。装置を図で選ぶ問題なら、容器の向きだけでなく管の先まで見て答えを確かめます。

自分で確かめる4問

次の問題は、示された性質と結果を使って紙の上で考えます。方法を複数選べる場合も、問題で求められた条件に合うものを答えてください。

1. 気体Cは水によく溶け、同じ体積の空気より軽い気体です。空気を使う集め方の名前と、容器の口の向きを言葉で答えましょう。
2. 気体Dは水に溶けにくく、水と反応しません。水を使って集める方法の名前と、容器の中に初めに満たすものを答えましょう。
3. うすい塩酸と亜鉛（あえん）を組み合わせて発生する気体を答えましょう。また、その気体を水上置換で集められる理由を、水への性質に触れて書きましょう。
4. 気体Eは同じ体積の空気より重いとわかっていますが、水への溶け方は示されていません。「Eは水に溶けにくい」と決めてよいでしょうか。理由も答えましょう。

答えと考え方

1. 上方置換、口は下向きです。水によく溶けるので水上置換は適しません。同じ体積の空気より軽いので、容器の上部に気体をため、もとの空気を下の口から押し出します。口が上向きだと答えた場合は、気体がたまる側と口の側を分けて見直します。

2. 水上置換、初めに満たすものは水です。Dは水に溶けにくく、反応もしないという条件を満たしています。気体が入ると容器内の水が押し出されます。空気との重さが示されていなくても、水を使うこの方法は選べます。

3. 水素です。水素は水に溶けにくいため、水上置換で集められます。材料から水素を選ぶことと、水への性質から集め方を選ぶことを別の段階として考えます。容器の中の水が気体に置き換わる様子を描けるかも確かめましょう。

4. 決められません。空気との重さと水への溶け方は別の性質だからです。重さの情報からは、空気を使う場合の向きを考えられますが、水を使えるかは別に条件が必要です。情報のない性質を勝手に補わないことが、この問題の要点です。

最後に残す目印

水に溶けにくく反応しない気体には水上置換を使えます。
水によく溶ける気体は、空気との重さを比べます。
軽い気体は上方置換で上にため、口は下です。
重い気体は下方置換で下にため、口は上です。
材料から気体を決め、条件に合う装置を選びます。

お子さまと図を見直すとき

お子さまが方法名を言えても、容器の口や管の先を逆に描くことがあります。そのときは正しい名前を先に言うより、図の中で「入る気体はどこにたまるか」「もとの空気や水はどこから出るか」を順番にたずねてみてください。口の向きだけを直すのではなく、管の先から出口までの道筋を見直せます。

水を使う図で迷った場合は、水への溶け方と反応の条件に戻ります。空気を使う図なら、同じ体積でどちらが重いかに戻ります。材料の名前で迷う場合は、発生する気体を先に確かめ、その後で集め方を考えると、どの段階で詰まったかが見えます。気体が入り、別のものが押し出される道筋が、装置を選ぶ手がかりです。