高校化学 無機化学 酸素とオゾン—同素体の性質と酸化作用を反応式で比較する｜武蔵野個別指導塾

過酸化水素の分解量と触媒の関係、ヨウ化物イオンとの反応を手がかりに、酸素とオゾンの違いをたどります。

よくあるのは、過酸化水素水に触媒を加えると、発生する酸素の最終量まで増えると考える場面です。泡が急に出ると、酸素が余分に作られたように見えます。しかし、泡の出る速さと、反応が終わるまでに出る量は別の量です。もとの過酸化水素の量を決めて式を立てれば、両者を区別できます。酸素とオゾンも、同じ元素からできていても同じ物質ではありません。分子の組成と反応相手を確かめ、観察と式を結びます。

何を比べる問題か

この範囲では、まず酸素 O₂ とオゾン O₃ が同素体である理由を問われます。同素体とは、同じ元素からなる単体で、性質の異なるものです。単体は1種類の元素からなる物質であり、同じ元素を含む化合物まで同素体に含めません。O₂ と O₃ は分子を構成する原子の数が異なります。

次に、過酸化水素の分解で生じる酸素の量を求めます。係数を物質量の比として読み、必要なら質量や、温度と圧力を指定した気体の体積に変換します。触媒の有無を比べるときは、同じ出発量で、どこまで反応したかもそろえます。

さらに、オゾンがヨウ化物イオンを酸化する反応を扱います。生成したヨウ素と酸素に注目し、原子数と電荷の両方をそろえます。反応式を見て電子の移動を説明する問題と、そこから量を計算する問題は、同じ式を別の方向から読む練習です。

分子と反応の役割を分ける

酸素とオゾンはともに酸素元素の単体です。図1のように、酸素分子は酸素原子2個、オゾン分子は3個からなります。水 H₂O や過酸化水素 H₂O₂ は水素元素も含む化合物なので、この2つの同素体ではありません。

図1では丸1個が酸素原子1個を表します。単体という共通点から、反応性まで同じだとは結論できません。酸素は物質の燃焼を助け、多くの物質を酸化します。オゾンも酸化作用を示し、酸素より強い酸化作用を示す代表例としてヨウ化物イオンとの反応があります。オゾンには有害性があり、においを確かめるために吸い込むものではありません。

酸素中で生じるオゾンの変化は、原子の保存を使って次のように表せます。

3O₂ → 2O₃

左辺と右辺の酸素原子はそれぞれ6個です。分子数は3から2へ変わりますが、原子が消えたわけではありません。この式は変化の量的な関係を表すもので、酸素が必ず全部オゾンに変化するという意味ではありません。

過酸化水素の分解は次の式です。二酸化マンガン MnO₂ はこの反応を速める触媒として用いられます。

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

左右の水素原子は4個、酸素原子は4個ずつです。H₂O₂ の酸素の酸化数は平均で -1 です。生成物の H₂O では -2、O₂ では 0 となります。同じ反応物の酸素が還元される部分と酸化される部分に分かれる反応です。

触媒は別の反応経路を与え、反応を速めます。反応式の係数を変えたり、反応物の原子を増やしたりはしません。触媒は反応の途中で関与しても、全体として再生されます。同じ量の過酸化水素が完全に分解する比較なら、最終的な酸素量は同じです。ただし、反応途中の同じ時刻では、速い方が多くの酸素を生じ得ます。触媒がなくても十分に反応が進むことと、短い観察時間で完全に分解することは別です。

オゾンとヨウ化物イオンの反応を、水溶液中で次のように表します。

O₃ + 2I⁻ + H₂O → O₂ + I₂ + 2OH⁻

左辺と右辺の酸素原子は4個、水素原子は2個、ヨウ素原子は2個です。電荷も両辺とも -2 です。I⁻ のヨウ素は酸化数 -1 から I₂ の 0 になり、電子を失います。酸化された相手から電子を受け取るオゾンは酸化剤です。ヨウ素の生成は、デンプンを加えたときの青紫色でも確かめられます。ただし色だけで、他の酸化剤が混ざっていないことまで証明できるわけではありません。

基本例題：分解から酸素の体積へ

自作の条件として、H₂O₂ を 0.200 mol 含む水溶液が完全に分解したとします。発生した O₂ をすべて集め、0 ℃、1.013 × 10⁵ Pa で測ると何 L ですか。この条件で気体 1 mol の体積を 22.4 L/mol とし、答えは有効数字3桁で示します。触媒の質量は求めません。

図2のように、最初に物質量を式の係数比で変え、最後に体積へ移します。気体の体積を使う前に、温度と圧力が与えられていることを確かめます。

反応式の係数は H₂O₂ と O₂ の物質量の比が 2 : 1 であることを示します。したがって、次のように計算します。

n(O₂) = 0.200 mol・(1)/(2)
       = 0.100 mol
V(O₂) = 0.100 mol・22.4 L/mol
       = 2.24 L

答えは 2.24 L です。逆に 2.24 L を 22.4 L/mol で割ると 0.100 mol となり、必要な H₂O₂ はその2倍の 0.200 mol に戻ります。酸素原子は出発物に 0.400 mol、生成物の水に 0.200 mol、酸素に 0.200 mol あり保存されます。

別解では、H₂O₂ 2 mol から O₂ 1 mol、すなわち条件下で 22.4 L が生じると直接比を作ります。0.200 mol は 2 mol の 0.100 倍なので、22.4 L の 0.100 倍が答えです。直接比は短く書けますが、途中の物質量を残す方法は、別の温度や圧力で体積を求め直すときに役立ちます。

標準・発展：残量と混合気体を追う

標準例題

自作の条件として、H₂O₂ 0.300 mol のうち 80.0 % が分解しました。生じた O₂ と残った H₂O₂ の物質量を、それぞれ有効数字3桁で求めます。ほかの反応は起こらないものとします。

まず反応した量を求め、係数比を使います。

反応した H₂O₂ = 0.300 mol・(80.0)/(100)
                 = 0.240 mol
生成した O₂ = 0.240 mol・(1)/(2)
             = 0.120 mol
残った H₂O₂ = 0.300 mol - 0.240 mol
             = 0.0600 mol

答えは O₂ が 0.120 mol、残った H₂O₂ が 0.0600 mol です。残量と反応量を足すと 0.300 mol に戻り、生成した O₂ の2倍も反応量の 0.240 mol に戻ります。分解率は0以上100 %以下、残量も0以上です。

別解は未反応の割合 20.0 % を先に使う方法です。0.300 mol の 20.0 % が 0.0600 mol と求まります。ただし O₂ の量には、残量ではなく反応した 0.240 mol を使います。収率や分解率の基準が何かを問題文で確認し、残った割合と反応した割合を取り違えないことが必要です。

発展例題

自作の条件として、初めに純粋な O₂ が 0.600 mol あり、その一部がオゾンになりました。反応後の O₂ と O₃ の合計が 0.500 mol でした。ほかの物質は生じず、外へ気体は漏れません。反応後の O₂ と O₃ の物質量をそれぞれ有効数字3桁で求めます。

反応した O₂ を x mol とすると、生じた O₃ は係数比から (2x)/(3) mol です。反応後の合計に注目します。

0.600 - x + (2x)/(3) = 0.500
x = 0.300
反応後の O₂ = 0.600 - 0.300
              = 0.300 mol
生成した O₃ = 0.300・(2)/(3)
              = 0.200 mol

答えは O₂ が 0.300 mol、O₃ が 0.200 mol です。合計は 0.500 mol で、酸素原子の物質量は 2・0.300 + 3・0.200 = 1.20 mol です。出発時の 2・0.600 = 1.20 mol と一致し、両物質の量も負ではありません。

別解では、O₂ と O₃ をそれぞれ a mol、b mol として、分子の合計 a + b = 0.500 と原子の保存 2a + 3b = 1.20 を連立します。反応した量を求める方法は係数比が見え、保存則の方法は最終状態から直接求められます。どちらも、原子数が保存されても分子数は保存されない点が要です。

記録の設計と読み違え

過酸化水素の分解を比べる観察は、学校の指導の下で行います。同じ濃度と体積の過酸化水素水を用意し、一方に触媒を加え、他方を対照とします。温度や測定の条件をそろえ、発生した気体の量を時間ごとに記録します。触媒の有無以外が異なると、速さの差を触媒の効果だけに帰すことはできません。

横軸を時間、縦軸を集めた酸素の体積とした模式的なグラフを考えます。傾きはその時点付近での発生の速さを表し、水平に近づけば発生が遅くなっています。触媒ありの曲線が先に平らになっても、同じ量が完全に分解し、損失なく同じ条件で測れば、最後の高さは等しくなります。有限の観察時間で片方がまだ上昇中なら、その高さを最終量とみなせません。

気体が途中で漏れれば、測定値は実際の発生量より小さくなります。反対に装置内の空気を酸素として数えれば、大きく見えることがあります。気体の一部が液体に溶けて残る場合も回収量が減ります。温度や圧力が異なる体積をそのまま比べると物質量の差と区別できません。漏れと空気混入が同時にある場合、誤差の向きは一方だけでは決まりません。

予想と記録が合わないときは、まず測定条件と対照を見直します。泡が見えないことは、その時点の目視で泡が確認できないことを示すにとどまり、残存する過酸化水素が必ずゼロだとは言えません。気体量の増加が止まったように見えても、測定の分解能や観察時間を考えて判断します。

誤答を式と観察に戻す

図3のように、触媒を加えた方が途中の酸素量で上回っても、最終量が増えたとは限りません。誤答「触媒から酸素が作られるので、最終量が増える」は、速く泡が出る観察と原料の量を混同しています。

図3の矢印は、同量の過酸化水素が完全に分解する場合の比較です。修正するには、まず 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂ と書き、出発量から酸素の上限を決めます。次に、触媒はそこへ到達する速さに関係すると説明します。両方が完全に分解したことを確認する条件も必要です。

別の誤答は「O₂ と O₃ は原子の種類が同じなので同じ物質」です。原因は元素と単体を混同した点にあります。元素は物質を構成する原子の種類を表し、単体は1種類の元素からなる物質です。分子中の原子数が違い性質も異なるため、同素体と書き直します。

また「3O₂ → 2O₃ では気体の量が減るので酸素原子も減る」という答えも誤りです。係数は分子の数の比を表します。原子の数は係数と分子中の原子数を掛け、左辺 3・2、右辺 2・3 と数え直します。量の単位が分子の mol か原子の mol かを明示すれば、違いが見えます。

練習問題

以下は自作の条件です。必要な場合、気体 1 mol の体積は 0 ℃、1.013 × 10⁵ Pa で 22.4 L/mol とします。数値の答えは有効数字3桁で示します。

1. H₂O₂ 0.150 mol が完全に分解したとき、生じる O₂ は何 mol ですか。
2. 同条件で O₂ 1.12 L が発生しました。完全に分解した H₂O₂ は何 mol ですか。
3. H₂O₂ 0.400 mol のうち 25.0 % が分解しました。残量と生成した O₂ の量をそれぞれ mol で求めます。
4. O₂ 0.900 mol のうち 0.300 mol が O₃ に変化しました。反応後の O₂ と O₃ の量をそれぞれ mol で求めます。
5. 十分な I⁻ を含む水溶液に O₃ 0.0400 mol が反応しました。上記の反応式に従うとき、生じた I₂ と消費した I⁻ の量をそれぞれ mol で求めます。

解答と確かめ

1. 係数比 2 : 1 より、0.150・(1)/(2) = 0.0750 mol です。逆に2倍すると、出発した 0.150 mol に戻ります。
2. O₂ は (1.12)/(22.4) = 0.0500 mol です。その2倍の H₂O₂ 0.100 mol が答えです。これから O₂ は 0.0500 mol 生じ、体積は 1.12 L に戻ります。
3. 分解した H₂O₂ は 0.400・(25.0)/(100) = 0.100 mol です。残量は 0.400 − 0.100 = 0.300 mol、O₂ は 0.100・(1)/(2) = 0.0500 mol です。残量と反応量の和は 0.400 mol です。
4. 残る O₂ は 0.900 − 0.300 = 0.600 mol、O₃ は 0.300・(2)/(3) = 0.200 mol です。酸素原子は反応前後とも 1.80 mol で、量はともに負ではありません。
5. 係数比 O₃ : I⁻ : I₂ = 1 : 2 : 1 より、I₂ は 0.0400 mol、I⁻ は 0.0800 mol です。I⁻ のヨウ素原子 0.0800 mol は I₂ 中のヨウ素原子 2・0.0400 mol と一致します。I⁻ は十分にあるという条件なので、O₃ の全量が反応する計算です。

最後に見分けること

• O₂ と O₃ は酸素元素の異なる単体で、同素体です。
• H₂O₂ の分解では、反応した量の半分の物質量の O₂ が生じます。
• 触媒が変える反応速度と、完全反応後の生成量を区別します。
• オゾンと I⁻ の反応では、原子数と電荷を両辺で数えます。
• 気体の体積は温度と圧力を添えて物質量に直します。

個別指導で確かめるなら、まず「泡の速さ」と「最後に集まる量」を別々に説明してみます。次に O₂ と O₃ の係数に原子数を掛け、何が保存されるかを声に出して確かめます。式の係数をそのまま原子数と読んでしまう場合は、分子の数と分子1個の中の原子数を分けて書くと修正できます。反応の速さと原子の収支を分けて読むと、酸素とオゾンの変化がつながります。