高校化学 無機化学 炭素と炭素酸化物—還元性と石灰水の変化を反応量で説明する｜武蔵野個別指導塾

石灰水の白濁と再溶解を物質量で追い、還元作用と結びつけて読み解く鍵は炭素酸化物です。

よくあるのは、石灰水の白濁が消えたのを見て、通した気体はCO₂ではないと判断する場面です。白濁が消えたという観察は正しくても、それまでに生じた沈殿と、その後に加わったCO₂の行方を考えなければ結論は出ません。炭素の単体、CO、CO₂、炭酸塩を、炭素原子の移動と反応の条件に沿って追います。

問いの入り口は3つ

1つ目は、炭素の同素体の構造と性質を結びつける問いです。同じ元素からなる単体でも、原子の結びつき方が異なれば硬さや電気の通しやすさが変わります。元素名だけを見て、性質が同じだと決めないことが出発点です。

2つ目は、COが金属酸化物から酸素を受け取る反応です。炭素の酸化数と金属の酸化数をそれぞれ比べ、どちらが酸化され、どちらが還元されたかを示します。反応物のうち、先になくなる物質を見落とすと、正しい反応式からでも誤った生成量が出ます。

3つ目は、CO₂と石灰水の反応を段階に分ける問いです。白い炭酸カルシウムの生成と、過剰のCO₂による炭酸水素カルシウムの生成を別々に数えます。白濁の有無は、その瞬間の状態を示す観察であり、それまで白濁がなかったことの証明ではありません。

結びつきと反応の相手を読む

ダイヤモンドと黒鉛は炭素の同素体です。ダイヤモンドでは各炭素原子が周囲の4個の炭素原子と共有結合し、立体的な網目を作ります。黒鉛では各炭素原子が3個の炭素原子と結びついた層が重なります。層内を動ける電子があるため、黒鉛は電気を通します。構造の違いは、同じ炭素でも性質が異なる理由です。

COとCO₂は異なる化合物です。CO中の炭素の酸化数は +2、CO₂中では +4 です。COは条件が整うと酸化銅(Ⅱ)を還元し、自身はCO₂になります。反応式は次のとおりです。

CuO + CO → Cu + CO₂

銅は +2 から 0 へ変わり、炭素は +2 から +4 へ変わります。COは相手を還元するので還元剤です。酸素原子を受け取ったCO自身は酸化されます。COは有毒であり、この反応を扱う実験は学校の指導の下で行います。

一方、CO₂は水に溶けると炭酸に由来する酸性を示し、塩基性の水溶液と反応します。石灰水は水酸化カルシウムの水溶液です。まずCO₂が水酸化カルシウムと反応し、水に溶けにくい白色の炭酸カルシウムを生じます。

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

さらにCO₂が加わると、沈殿した炭酸カルシウムが水とCO₂により、水に溶ける炭酸水素カルシウムになります。

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

図1のように、白濁とその消失は連続した変化です。炭酸塩のCO₃²⁻と炭酸水素塩のHCO₃⁻は別のイオンで、カルシウムイオンCa²⁺との電荷のつり合いから、後者はCa(HCO₃)₂と表します。生成した物質の数式上の係数と、粒子に含まれる原子の数を区別してください。

図1の左から右へ、加えたCO₂の量を増やして考えます。水溶液中では平衡や溶解もありますが、以下の計算は各段階が示した式どおりに進み、溶解したCO₂などを無視するという問題の条件に従います。実際の観察が理想化した境界と厳密に一致するとは限りません。

基本例題：白濁が消えるまでの量

【問題】Ca(OH)₂を0.020 mol含む石灰水にCO₂を合計0.030 mol加えました。水は十分あり、上の2式の反応は段階的に定量的に進み、他の溶解は無視します。残るCaCO₃と生成するCa(HCO₃)₂の物質量を、それぞれ有効数字2桁で求めてください。

まず最初の反応ではCa(OH)₂とCO₂が1対1です。Ca(OH)₂を使い切るまでに、CO₂を0.020 mol消費してCaCO₃を0.020 mol生じます。図2のように、加えた合計量からこの消費量を引いた残りが次の段階へ進みます。

第1段階で使うCO₂ = 0.020 mol
第1段階で生じるCaCO₃ = 0.020 mol
第2段階に進むCO₂ = 0.030 - 0.020 = 0.010 mol
溶けるCaCO₃ = 0.010 mol
残るCaCO₃ = 0.020 - 0.010 = 0.010 mol
生じるCa(HCO₃)₂ = 0.010 mol

答えはそれぞれ0.010 molです。2つ目の反応ではCaCO₃、CO₂、Ca(HCO₃)₂の係数が各1なので、残ったCO₂と同じ物質量の沈殿が溶けます。第2段階のCO₂は沈殿より少なく、沈殿は負になりません。

別解では、カルシウムと炭素の保存を使います。最終状態のCaCO₃をx mol、Ca(HCO₃)₂をy molとすると、カルシウムの合計はx + y = 0.020です。炭素は前者に1個、後者に2個ずつ含まれるのでx + 2y = 0.030です。差をとるとy = 0.010、したがってx = 0.010です。この別解は両物質が最終状態に共存する場合に使えます。最初から共存を仮定せず、得られた量が非負であることも確認します。

答えを戻すと、Caの合計は0.010 + 0.010 = 0.020 mol、炭素の合計は0.010 + 2・0.010 = 0.030 molです。どちらも与条件と一致します。反応式の左辺と右辺でCa、C、O、Hの原子数も一致します。

標準例題：還元剤が足りるか

【問題】CuO 8.0 gとCO 0.080 molを反応させます。CuOとCOの反応は先の式だけで定量的に進みます。原子量をCu = 64、O = 16とし、生成するCuの質量と残るCuOの質量を有効数字2桁で求めてください。

CuOのモル質量は80 g/molです。係数はCuOとCOで1対1なので、必要量を比べます。

CuOの物質量 = (8.0)/(80) = 0.10 mol
反応するCuO = 0.080 mol
生成するCu = 0.080 mol
Cuの質量 = 0.080・64 = 5.1 g
残るCuO = 0.10 - 0.080 = 0.020 mol
残るCuOの質量 = 0.020・80 = 1.6 g

Cuの質量は丸め前には5.12 gです。COが先になくなり、CuOが残ります。反応したCuOは0.080・80 = 6.4 gで、残量1.6 gと合わせると元の8.0 gに戻ります。生じるCO₂は0.080 molで、炭素原子の収支も合います。酸化銅の酸素はCOに移り、銅とCO₂の両方を数えなければ質量の出入りを説明できません。

別解として、CO 0.080 molがCu 0.080 molに対応することからCuの質量を直に求め、CuOの初量から反応分を引いても同じです。ただし、この方法でもCuOが十分あるかの比較が先です。反応の進み具合をCOの量だけで決めてよいかは、両方の初量を見て決まります。

発展例題：沈殿の増減を区間で表す

【問題】Ca(OH)₂を0.040 mol含む石灰水にCO₂を合計x mol加えます。水は十分あり、基本例題と同じ理想化をします。0 ≦ x ≦ 0.080の範囲で、残るCaCO₃の物質量y molをxの式で表し、x = 0.060のときのyを有効数字2桁で求めてください。

第1段階では、加えたCO₂と同じ量のCaCO₃が生じます。Ca(OH)₂を使い切るx = 0.040まではy = xです。その後は、追加されたCO₂と同じ量の沈殿が溶けます。

追加されたCO₂ = x - 0.040
残るCaCO₃ = 0.040 - (x - 0.040)
y = 0.080 - x
x = 0.060のとき y = 0.020 mol

したがって、0 ≦ x ≦ 0.040ではy = x、0.040 ≦ x ≦ 0.080ではy = 0.080 − xです。境界ではどちらの式も0.040 molを与え、最後は0 molです。x = 0.060では炭酸水素カルシウムも0.020 molで、炭素は0.020 + 2・0.020 = 0.060 mol、カルシウムは0.040 molに戻ります。

別解は、後半の区間でカルシウム保存と炭素保存を連立する方法です。前半では未反応のCa(OH)₂が残るため、そのまま同じ連立式を使うことはできません。区間を決めてから式を選ぶ方法は、見た目の式が簡単でも欠かせません。

観察を設計し、グラフの読み違いを防ぐ

学校の指導の下で石灰水にCO₂を通す観察では、同じ石灰水について通気前、白濁した時点、さらに通気した後を順に記録します。比較には、同じ量の石灰水を通気せずに置いたものを用意します。通気した側に変化が見えても、それだけで変化の原因を気体の特定成分と断定せず、比較と反応の条件を合わせて判断します。

白濁の消失は沈殿の減少を示しますが、無色透明という見た目だけで水溶液中の全成分を特定することはできません。白濁が目に見えないほど少ない場合もあります。CO₂が不足していれば沈殿は残り、過剰になれば再溶解が進むため、終点を1回の観察だけで決めないことが大切です。COの有毒性を踏まえ、家庭で混合気体を作って試す操作は扱いません。

発展例題の横軸を加えたCO₂、縦軸をCaCO₃としたグラフは、原点から傾き1で増え、x = 0.040 molで折れ、傾き -1で減ります。横軸の値は追加量ではなく通算量です。折れ点の後に再び原点から増える線を描くと、既存の沈殿が減ることを表せません。グラフは自作の理想条件に基づくもので、実測記録ではありません。

気体が途中で漏れれば、発生量から見積もった量より石灰水に届くCO₂が少なくなり、変化が遅れて見える可能性があります。逆に石灰水が空気中のCO₂に触れれば、通気前にも白濁が生じる可能性があります。沈殿を量る場合は回収漏れで測定値が小さくなり、乾燥が不十分なら水の質量が加わって大きくなります。複数の誤差が同時に起きる場合、全体の向きは一方だけから決められません。

白濁が消えたときの誤答を直す

誤答は「透明になったのでCO₂は反応していない」です。原因は、初めと終わりの見た目を比べるだけで、途中にできたCaCO₃を追っていないことです。図3のように、白濁の生成と消失をそれぞれ式で表せば、透明な最終状態とCO₂の通過は両立します。

修正すると「CO₂によりCaCO₃が生じ、さらにCO₂が加わると溶けるCa(HCO₃)₂に変わりうる」です。透明という結果だけではその過程を証明しきれないので、途中の観察と条件を添えます。反応の有無と、最終状態で固体が残っているかは別の問いです。

もう1つの誤りは、2段階目に進むCO₂を合計量のまま計算することです。基本例題なら、最初の0.020 molを引かずに0.030 molの沈殿が溶けたとすると、最初にできた0.020 molを超えてしまいます。各段階で使用済みの量を記録し、残量が負にならないかを点検すれば修正できます。

練習問題

各問は自作の条件です。反応は示した式どおりに定量的に進み、他の溶解や副反応は無視します。数値の答えは有効数字2桁で示してください。

1. Ca(OH)₂ 0.050 molを含む石灰水にCO₂ 0.020 molを加えます。生成するCaCO₃と残るCa(OH)₂の物質量を求めてください。
2. Ca(OH)₂ 0.060 molを含む石灰水にCO₂ 0.090 molを加えます。残るCaCO₃と生じるCa(HCO₃)₂の物質量を求めてください。
3. CuO 12 gとCO 0.20 molを反応させます。原子量はCu = 64、O = 16です。生成するCuの質量と残るCOの物質量を求めてください。
4. Ca(OH)₂ 0.025 molを含む石灰水に十分なCO₂を加え、生成したCaCO₃をちょうど全部溶かします。必要なCO₂の合計物質量を求めてください。
5. NaHCO₃ 0.12 molを完全に加熱分解します。反応式は 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O です。生成するNa₂CO₃とCO₂の物質量を求めてください。

練習の解答

1. 係数比が1対1なので、CaCO₃は0.020 molです。Ca(OH)₂の残りは0.050 − 0.020 = 0.030 molです。反応分と残量の合計は元の0.050 molで、CO₂も0.020 mol使っています。

2. 最初にCO₂ 0.060 molからCaCO₃ 0.060 molが生じます。残りのCO₂は0.090 − 0.060 = 0.030 molです。これが同量の沈殿を溶かすので、CaCO₃は0.030 mol、Ca(HCO₃)₂は0.030 molです。炭素は0.030 + 2・0.030 = 0.090 mol、Caは0.060 molに戻ります。

3. CuOは(12)/(80) = 0.15 molです。CuOが先になくなるのでCuは0.15 mol、質量は0.15・64 = 9.6 gです。COの残りは0.20 − 0.15 = 0.050 molです。消費と残量は0.20 molに戻り、CuO由来のCuも0.15 molです。

4. 沈殿の生成に0.025 mol、溶解にさらに0.025 molのCO₂が必要です。合計は0.050 molです。最終的なCa(HCO₃)₂は0.025 molで、そこに含まれる炭素は0.050 molです。

5. 係数比はNaHCO₃対Na₂CO₃対CO₂が2対1対1です。各生成量は(0.12)/(2) = 0.060 molです。水も0.060 mol生じます。生成物のNa原子は2・0.060 = 0.12 mol、炭素原子は0.060 + 0.060 = 0.12 molで、出発物に戻ります。水素と酸素も式の両辺で一致します。

見直すときの目印

• COは酸化銅から酸素を受け取り、CO₂になります。
• CO₂は石灰水に白いCaCO₃を生じ、過剰ではその沈殿を溶かします。
• 反応の区間ごとに、使った量と残った量を分けます。
• 元素の保存と非負の残量で、求めた答えを元の条件に戻します。

個別指導で確かめるなら、白濁が消える前に何があったかを図なしで説明し、2段階目に進むCO₂の量を指で示せるかを見ます。酸化数の増減と還元剤の名前が逆になる場合は、CO自身の変化と相手の変化を別々に書きます。透明な終点にも、炭素の通った道筋が残っています。