高校化学 無機化学 窒素酸化物—一酸化窒素と二酸化窒素の変化を物質収支で追う｜武蔵野個別指導塾

無色のNOが空気中で赤褐色になる理由と、水や酸素を加えたときの残量を反応式から追跡する窒素酸化物。

よくあるのは、無色の気体が空気に触れて赤褐色になった場面で、空気が気体に溶けたためだと説明する場面です。色が現れたという観察は正しいのですが、何が増え、何が減ったかが説明に残っていません。一酸化窒素NOが酸素O₂と反応し、赤褐色の二酸化窒素NO₂が生じると考えると、色と物質量を同じ式で結べます。さらに水がある場合は、生成したNO₂からNOが再び生じます。その戻り道も含めて数えると、気体が減る理由を追えます。

色の変化から残量まで

問われ方には、まず無色のNOが空気中で着色する理由を反応式とともに述べる型があります。溶けた、混ざったという言葉では別の物質が生成したことを示せません。NO₂の色を記し、反応前後の物質を区別します。

次は、NOとO₂の混合気体を反応させ、どちらが余るかを決める型です。係数を見ずに小さい物質量を選ぶと限界反応物を間違えます。各物質の量を係数で割り、反応を何組進められるか比べます。体積で与えられたときも、同じ温度・圧力の気体なら体積比を係数比に使えます。

もう一つは、水を加えて反応を繰り返す型です。NO₂が水と反応するとNOを生じ、そのNOが残ったO₂で再び酸化されます。途中のNOを最終的な残量にそのまま足すと二重に数えることがあります。問題が与える反応と反応完了の条件を先に読み、最後に窒素原子と酸素の収支を照合します。

2種類の気体と反応の向き

NOは無色の気体で、NO₂は赤褐色の気体です。乾いたNOを酸素と接触させると、次の反応でNO₂が生成します。

2NO + O₂ → 2NO₂

左辺の窒素原子は2個、酸素原子はNO由来の2個とO₂由来の2個で合計4個です。右辺も窒素2個、酸素4個です。係数は分子の個数比であり、同じ条件の気体の体積比にも対応します。酸素が反応物なので、赤褐色が出たことを単なる空気の混合と取り違えないようにします。

図1のように、酸素との反応と水との反応は別の矢印で表せます。NO₂が水と反応すると、硝酸HNO₃とNOが生成する全体の変化を高校化学では次の式で表します。

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

窒素は左辺3個、右辺2個と1個です。水素は両辺2個、酸素は左辺7個、右辺6個と1個です。NO₂の窒素の酸化数は +4、硝酸中では +5、NO中では +2 です。同じNO₂の窒素の一部が酸化され、別の一部が還元されるので、不均化として見られます。酸化数は電子の移動を整理するための数であり、分子がその電荷を持つという意味ではありません。

NO₂と水から亜硝酸HNO₂と硝酸が生じる段階を考える表し方もあります。上の式は、亜硝酸の変化を含めた全体式として使います。どの反応を採用するかで途中の物質や量は変わるので、計算問題では問題文が指定した式と反応完了の条件に従います。気体の色や反応量は温度、接触、反応時間にも左右されるため、色だけで正確な量を決めることはできません。

NO₂は無色の四酸化二窒素N₂O₄との間で平衡も作ります。実際の気体ではこの影響を考える必要がありますが、以下の物質収支は各問題の指定に従い、N₂O₄の生成を無視する理想化した計算です。両気体は有害です。観察を伴う実験は学校の指導の下で扱い、家庭で試しません。

基本例題：酸素が不足するとき

乾いた容器にNO 0.12 molとO₂ 0.04 molを入れ、上の酸化反応だけが完結するとします。N₂O₄の生成は無視します。反応後の各気体の物質量をmolで、有効数字2桁で求めてください。数値は計算のための自作条件です。

図2のように、NO 2 molにO₂ 1 molが対応します。NOを全部使うためにはO₂が何mol必要かを先に求めます。

必要なO₂ = 0.12・(1)/(2) = 0.060 mol
用意したO₂ = 0.040 mol
消費したNO = 0.040・(2)/(1) = 0.080 mol
生成したNO₂ = 0.080 mol
残ったNO = 0.12 - 0.080 = 0.040 mol
残ったO₂ = 0 mol

酸素が不足するので、答えはNO 0.040 mol、O₂ 0 mol、NO₂ 0.080 molです。図2の初めの量から、NOの消費量と残量を足すと0.12 molに戻ります。酸素は0.040 mol全量が消費されます。NOとNO₂には窒素原子がそれぞれ1個あるので、反応後の窒素原子の物質量は0.040 + 0.080 = 0.12 molとなり、初めと一致します。

別解では、反応式の係数を1組として、NOは0.12 ÷ 2 = 0.060 mol組、O₂は0.040 ÷ 1 = 0.040 mol組まで反応できます。小さい0.040 mol組で止まるので、NO₂は2倍の0.080 molです。この方法は試薬が多い場合も共通ですが、割った値は各気体の残量ではありません。最後に係数を掛けて物質量に戻します。

標準例題：気体の体積が減る理由

同じ温度・圧力で測ったNO 90 mLとO₂ 60 mLを乾いた容器で反応させます。反応は完結し、NO₂はすべて気体として存在し、他の反応は無視します。反応後の各気体と全体の体積を、同じ温度・圧力でmL単位、有効数字2桁で求めてください。体積は自作の条件です。

NOを全消費するO₂ = 90・(1)/(2) = 45 mL
残るO₂ = 60 - 45 = 15 mL
生成するNO₂ = 90・(2)/(2) = 90 mL
反応後の全体 = 15 + 90 = 105 mL

答えはO₂ 15 mL、NO₂ 90 mL、合計105 mLです。NOは残りません。反応前の全体は150 mLなので、減少分は45 mLです。気体が消えたと考えるのではなく、反応式の左辺の気体3体積が右辺の2体積になると考えます。

別解では、反応したO₂ 45 mLに等しい体積だけ全体が減ります。150 − 45 = 105 mLです。ただしこの差だけでは残る気体の種類を決められません。各成分の収支に戻し、O₂の初量が消費45 mLと残量15 mLの和になること、NO由来の窒素がNO₂ 90 mLに対応することを確認します。異なる温度や圧力の体積をそのまま引くことはできません。

発展例題：水を介して反応が戻るとき

NO 0.20 molとO₂ 0.12 molを十分な水と接触させ、上記の2つの反応が可能な限り進むとします。硝酸は水溶液に残り、気体の水への物理的溶解や他の反応は無視します。残る気体の種類と物質量、生成したHNO₃の物質量をmolで有効数字2桁にしてください。与えた量は自作条件です。

まず水との式を2倍し、酸化の式を3倍します。途中でできるNO₂とNOを両辺から消します。

6NO + 3O₂ → 6NO₂
6NO₂ + 2H₂O → 4HNO₃ + 2NO
4NO + 3O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

正味ではNO 4 molにO₂ 3 molが必要です。初めのNOをすべて硝酸にするには、次の酸素が必要です。

必要なO₂ = 0.20・(3)/(4) = 0.15 mol
反応するNO = 0.12・(4)/(3) = 0.16 mol
生成するHNO₃ = 0.16 mol
残るNO = 0.20 - 0.16 = 0.040 mol

O₂が不足するため、答えはNO 0.040 mol、HNO₃ 0.16 molです。O₂は残りません。理想化した条件でNO₂も最終的に水との反応により消費されるとします。窒素の行き先は0.16 + 0.040 = 0.20 molで初量に戻ります。消費したO₂も0.16・(3)/(4) = 0.12 molで与条件に一致します。

別の見方は窒素原子の収支です。最終的に酸素がなく、NOと硝酸に窒素があると定めたうえで、硝酸の生成量をx molと置けばNOの残量は0.20 − x molです。正味反応に必要な酸素は(3)/(4)x molなので、これが0.12 molとなりx = 0.16 molです。窒素収支だけではxは決まらず、酸素の消費条件が必要です。正味式は途中の色や反応速度までは示しません。

記録の設計と読み違え

学校の指導の下で観察された記録を読むとき、酸素と接触する前後の色を比べ、反応前の状態を対照にします。水がある場合は乾いた条件とも区別します。酸素に触れて赤褐色が現れた記録はNO₂生成の手掛かりですが、色の濃さだけでは物質量を確定できません。容器内の濃度、光の通る距離、温度や平衡も影響します。

体積の変化を比較する場合、測定前後で温度と圧力をそろえ、水蒸気や溶解の影響を問題の条件として明示します。目盛りの読みを経過時間に対して描けば、下降が止まったかを調べられます。ただし、一定に見えることは反応の完全終了の証明ではありません。装置内の漏れや反応の遅さも考え、別の観察と照合します。

例えば、NOと酸素の反応前に空気が混入したのに酸素量へ含めなければ、実際に反応できる酸素を少なく見積もります。反対に、生成したNO₂の一部が測定前に水と反応したのに全量が気体に残ったと仮定すれば、気体中のNO₂を多く見積もります。漏れがあれば測定気体量は小さくなる方向ですが、漏れた成分を特定できなければ各成分の誤差は一意に決まりません。失敗した記録でも、何が容器に入り、どこへ出たかを分けて考えます。

誤答を収支に戻して直す

誤答1は「NOとO₂が同じ量だけ反応する」です。式の係数を見ず、分子を1個ずつ対応させたことが原因です。図3のようにNO 2に対してO₂ 1を対応させます。量が足りない側を決めてから残量を求めれば、負の残量を避けられます。

誤答2は「NO₂が水に入ると、窒素は全部硝酸になる」です。水との全体式ではNOも生成するため、酸素の有無が重要です。O₂が再びNOを酸化できる場合と、酸素が尽きた場合を分けます。生成直後のNOと、繰り返し後のNOを混同しないようにします。

誤答3は「赤褐色が薄くなったので窒素が消えた」です。窒素は硝酸や無色のNOへ移ることがあります。気体の色と窒素原子の総量は別の量です。測定値が条件と合わないときは計算を無理に合わせず、漏れ、混入、溶解、未反応の可能性を調べます。どの原因かは追加の情報なしには決められません。

練習：条件を読んで行き先を数える

次の数値は自作条件です。気体は問題ごとに示す反応が完結し、N₂O₄の生成や気体の物理的溶解は無視します。数値の答えは指定単位で有効数字2桁とし、ゼロは0と記してください。

1. 乾いたNO 0.18 molとO₂ 0.15 molを反応させます。残るO₂と生成するNO₂をmolで求めてください。
2. 同じ温度・圧力のNO 80 mLとO₂ 30 mLを乾いた状態で反応させます。反応後に残るNOと生じるNO₂、全気体の体積をmLで求めてください。
3. NO₂ 0.15 molが十分な水と反応し、3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO が完結します。生成するHNO₃とNOをmolで求めてください。他の反応は起こりません。
4. NO 0.24 molとO₂ 0.21 molを十分な水と接触させ、発展例題の2つの反応を可能な限り進めます。残るO₂と生成するHNO₃をmolで求めてください。
5. 密閉容器内の乾いたNOとO₂の混合気体は同温・同圧で合計140 mLです。反応後はNOがなく、NO₂ 80 mLとO₂が残りました。初めのNOとO₂の体積をmLで求めてください。

練習の解答

1. NOに必要なO₂は0.18・(1)/(2) = 0.090 molです。したがって残るO₂は0.15 − 0.090 = 0.060 mol、NO₂は0.18 molです。消費と残量の和は0.090 + 0.060 = 0.15 molで、初めの酸素に戻ります。窒素はNO₂に0.18 mol分残ります。

2. O₂ 30 mLに対してNO 60 mLが反応します。NOの残量は80 − 60 = 20 mL、NO₂は60 mL、合計は20 + 60 = 80 mLです。NOの初量は消費60 mLと残量20 mLの和です。反応前110 mLから消費酸素に相当する30 mLが減り、全体80 mLとも一致します。

3. 係数比からHNO₃は0.15・(2)/(3) = 0.10 mol、NOは0.15・(1)/(3) = 0.050 molです。生成物中の窒素は0.10 + 0.050 = 0.15 molで、NO₂の初量に戻ります。水からの酸素と水素を含めて式の原子数も保存されます。

4. 正味式の係数比より必要なO₂は0.24・(3)/(4) = 0.18 molです。NOが全量反応し、HNO₃は0.24 mol、残るO₂は0.21 − 0.18 = 0.030 molです。酸素の消費と残量は0.18 + 0.030 = 0.21 mol、硝酸中の窒素も初めのNOに対応します。

5. 生成したNO₂と消費したNOは同じ体積なので、初めのNOは80 mLです。初めのO₂は140 − 80 = 60 mLです。消費したO₂は80・(1)/(2) = 40 mL、残りは20 mLです。反応後の全体は80 + 20 = 100 mLで、初めの140 mLから消費酸素の40 mLだけ減ります。

最後に押さえること

NOは無色、NO₂は赤褐色で、酸素との反応を区別します。
係数比から限界反応物と残量を求めます。
水との反応ではNOが戻ることを見落としません。
正味式の適用条件と原子の収支を確かめます。

色の説明が止まったら、観察した色とその色を持つ物質を別々に書いてみます。計算が止まったら、反応前、消費、生成、残量の欄を作り、係数比を一組ずつ当てはめます。個別指導で確かめる場合も、答えの数字だけでなく、酸素が足りるかを判断した行と、窒素がどこに残ったかを示す行を見ると、つまずいた場所を特定できます。窒素原子の行き先を最後まで追えば、色の変化と量の変化がつながります。