高校受験の理科 気体の性質と捕集—水への溶けやすさから集め方の理由を考える｜武蔵野個別指導塾

水への溶けやすさと空気との重さを手がかりに、集め方と確認方法を選ぶ道筋をたどる気体の学習です。

よくあるのは、中学生が気体の集め方を名前だけで暗記して逆にする場面です。集気びんの口を上に向けるのか下に向けるのか迷うと、覚えた言葉がかえって混乱のもとになります。気体が入る場所と、押し出される水や空気の行き先を描けば、向きを考え直せます。学校で扱う実験の図を読みながら、性質と操作の理由をつなぎましょう。

問題でたどる3つの道筋

気体の問題には、性質から捕集方法を選ぶ型があります。水に溶けにくいか、水と反応しにくいかを先に見ます。水上置換が適する場合は、水を満たした容器から水を追い出して集めます。水を使いにくい場合には、空気と比べた重さを手がかりに、空気を追い出す向きを決めます。

次に、観察結果から気体を推定する型があります。石灰水が白くにごる、火のついた線香の炎が激しくなるなどの結果と、何を調べたかを結びつけます。1つの特徴を覚えるだけでなく、候補の中でどう区別できるかまで考えると、選択肢が変わっても対応できます。

もう1つは、装置の図や操作の失敗を説明する型です。水に溶けやすい気体を水上置換で集めたらどうなるか、空気より軽い気体を口を上にしたびんに送るとどうなるかを考えます。理想どおり集まらない理由を、気体の移動や混ざり方で説明する練習です。実験は学校の管理下で行うものとして、ここでは図と観察結果を読みます。

水と空気のどちらを押し出すか

気体を容器に集めることを捕集といいます。水上置換は、水で満たして水中で口を下に向けた容器に気体を導き、水を外へ押し出す方法です。図1のように、気体は容器の上部にたまり、水面は下がります。水に溶けにくく、水と反応しにくい気体に用います。水が出る分だけ気体が入るので、最初から水で満たしておくことが大切です。

図1の水面より上が集めた気体の部分です。管から出た気体が水面を押し下げる様子を追うと、容器の口が水中にある理由も見えてきます。気体は水中を泡として上がり、口から容器に入ります。最初に容器内に空気が残っていると、その空気が集めた気体に混ざります。

水に溶けやすい気体には、水を使わず空気を押し出す方法を考えます。空気より重い気体は、口を上にした容器の底の方へ導きます。気体が下にたまり、空気が上の口から押し出される方法を下方置換といいます。反対に、空気より軽い気体は、口を下にした容器の上の方へ導き、空気を下の口から押し出します。こちらは上方置換です。名前の上下は気体をたまりやすくする向きと結びつけ、口の向きまで図で確かめます。

ただし、空気と気体は混ざるため、空気の境界が板のようにきれいに分かれるわけではありません。空気との重さの差が小さい場合は空気を置き換えにくく、水上置換が適するならそちらを選びます。水上置換でも、水に少しは溶ける場合や、水蒸気が混じる場合があります。問題で求めるのは、どの性質を使って適切な方法を選ぶかです。

酸素は水に溶けにくく、ものを燃やすはたらきがあります。二酸化炭素は水に少し溶け、空気より重い気体です。石灰水を白くにごらせます。水素は水に溶けにくく、空気より軽く、燃える気体です。アンモニアは水に非常に溶けやすく、空気より軽い気体です。刺激臭があり、その水溶液はアルカリ性を示します。においを直接かぐ操作を問題の外で試す必要はありません。

酸素や水素は水上置換で集められます。二酸化炭素も水上置換で集められますが、水に溶ける分があるので、下方置換を用いることもあります。アンモニアは水に非常に溶けやすいため水上置換に適さず、上方置換を用います。同じ気体に複数の捕集方法がある場合と、条件から適した方法を選ぶ場合を区別しましょう。

捕集の図では、気体を導く管の先がどこにあるかも見ます。空気を置換するとき、気体が容器の外へすぐ出る位置に管の先があれば、容器の奥にある空気を十分に追い出せません。重い気体なら底の近く、軽い気体なら逆さにした容器の上の方へ導く配置を読み取ります。矢印が省略されている図でも、容器の開口部を見つけ、入るものと出るものを別に書くと判断しやすくなります。

基本例題：性質から容器の向きへ

問題。気体Aは水に非常に溶けやすく、空気より軽いとします。水上置換、下方置換、上方置換のうち適した方法を1つ選び、集気びんの口の向きと、水上置換を選ばない理由をそれぞれ文章で答えてください。また、気体Aがアンモニアであるかを、水に溶かした液と赤色リトマス紙を用いた結果から確かめるとき、予想される色の変化を答えてください。候補は酸素、二酸化炭素、水素、アンモニアの4種類とします。

まず「水に非常に溶けやすい」に線を引きます。水上置換では、発生した気体が容器にたまる前に多く水に溶けてしまうため、適しません。水を押し出す図を描き、気体が水に吸収される場合を想像すると、方法を除く理由が明確になります。

次に「空気より軽い」を使います。気体を容器の上の方へ送り、もともと入っていた空気を下の口から押し出します。したがって選ぶ方法は上方置換で、口を下に向けます。図2のように、気体の入り口と空気の出口を別々の矢印で追ってください。容器の中に送る管の先は上の方にあり、下に開いた口から空気が出ます。

図2では、入る気体が上方にたまり、空気が下方へ押し出されます。口を上にすると軽い気体が上の口から逃げやすく、十分に集めにくくなります。名前を思い出せなくても、この2つの向きを説明できれば選び直せます。

最後に確認方法を考えます。4種類の候補のうち、水に非常に溶けやすく空気より軽い性質に当てはまるのはアンモニアです。アンモニアを溶かした水溶液はアルカリ性なので、赤色リトマス紙は青色に変わります。答えは、上方置換、口は下向き、水に溶けて集めにくいため、赤色から青色です。

答えを条件に戻します。下向きの口から空気が出る配置なら、軽い気体を上にためる考えと一致します。また、リトマス紙の変化は気体そのものの色の変化ではなく、水溶液の性質を調べた結果です。候補を絞る情報と確認に使う情報を分けて読むことで、操作の意味を説明できます。

条件を変えて候補を絞る

問題。気体Bと気体Cは、酸素、二酸化炭素、水素、アンモニアのいずれかで、互いに異なります。BもCも水に溶けにくく、水上置換で集められました。Bを入れた容器に火のついた線香を入れると、線香は激しく燃えました。Cを入れた容器の口に火を近づけると、音を立てて燃えました。BとCの名前をそれぞれ答え、燃えるものと燃焼を助けるものを区別して説明してください。

水上置換で集められたという情報だけでは、BとCを決められません。水に溶けにくい酸素と水素はどちらも候補に残ります。そこで、後半の観察結果をそれぞれ独立に読みます。火のついた線香が激しく燃えたBは、燃焼を助ける酸素です。音を立てて燃えたCは、それ自体が燃える水素です。

答えはBが酸素、Cが水素です。線香という燃えるものが酸素中で激しく燃えたことと、水素そのものが燃えたことを取り違えないようにします。どちらも火に関係する観察ですが、何が燃えているかが違います。条件に戻すと、両者は水に溶けにくいので水上置換で集めたという前半とも矛盾しません。

もし結果が「線香が激しく燃えた」だけなら、水素があったと結論する根拠にはなりません。逆に、音を立てて燃えたという結果から、線香の燃焼を助ける酸素だと決めることもできません。確認操作では、使用したもの、観察した変化、そこから言えることの順に短く書き出します。学校の実験では、発生し始めの気体には装置内の空気が混じるため、そのまま純粋な気体とみなさないことも重要です。

間違いの向きを直す

誤答「アンモニアは空気より軽いので、口を上にした集気びんの底に導いて集める」。軽いという性質を選べていても、容器の向きと出口が逆です。軽い気体を底から入れると上へ移動し、上向きの口から逃げやすくなります。空気を追い出して容器に残すという目的に戻りましょう。

図3の左では、口が上にあるため気体が外へ出ます。右では口を下にして気体を上部に送り、空気を下へ追い出します。修正した答えは「口を下にして、上方置換で集める」です。図中の矢印を指して、入り口と出口を言えるか確かめます。

別の誤答は「二酸化炭素を入れた石灰水は青くなる」です。石灰水の変化と、リトマス紙の色の変化を混同しています。二酸化炭素を通すと石灰水は白くにごります。アンモニアの水溶液では赤色リトマス紙が青色に変わります。試薬の名前と観察結果を対にして書き直すと、結果の取り違えに気づけます。

さらに「水素はものを燃やすはたらきがあるから酸素と同じ」と答えた場合は、主語を確かめます。水素は自分が燃える気体で、酸素はものが燃えるのを助ける気体です。線香の変化と気体自身の燃焼を同じ欄に並べず、何が燃えたのかまで説明しましょう。

練習：条件と観察を対応させる

次の4問はそれぞれ独立した問題です。求められた名前や理由を答えてから、まとめて解答を見てください。

1. 気体Dは水に溶けやすく、空気より重いとします。水を使わずに集めるときの適した置換方法を1つ答え、集気びんの口の向きと、容器内の空気が出る向きを文章で答えてください。
2. 酸素、二酸化炭素、水素、アンモニアのいずれかを入れた容器に石灰水を加えて振ると、白くにごりました。気体の名前と、判断に使った観察結果を答えてください。
3. 気体Eは水素で、水上置換に使う集気びんには初めに空気が残っていました。集めた気体の純度について、空気を残さずに集めた場合と比べてどうなるかを答え、その理由を書いてください。
4. 水に非常に溶けやすい気体Fを水上置換で集めようとしたところ、容器内に気体が十分にたまりませんでした。原因を水との関係で説明し、Fが空気より軽い場合に適した捕集方法と容器の口の向きを答えてください。

解答と考え方

1. 下方置換で、口を上に向けます。重いDを底の方へ導くと、空気は上向きの口から押し出されます。条件へ戻すと、水を使わずに空気との重さの違いを利用できています。口を下にすると重い気体が下の口から出やすくなるので、向きが逆です。
2. 二酸化炭素です。石灰水が白くにごったことが根拠です。候補に戻して照らすと、酸素は線香の燃え方、水素は気体自身の燃焼、アンモニアは水溶液のアルカリ性などで確認します。石灰水が白くにごる結果と対応する候補を選びます。
3. 純度は低くなります。初めに残った空気が水素と混ざるためです。水素が水を押し出して入っても、容器の上に残った空気が自動的に消えるわけではありません。元の条件である「空気が残っていた」に戻ると、集めた部分に水素以外の気体が含まれることを説明できます。
4. 気体Fが水に多く溶け、容器にたまりにくいためです。空気より軽いので上方置換を使い、口を下に向けます。条件に戻すと、水を避けつつ軽い気体を容器の上部にため、空気を下へ押し出す方法になっています。集まらない結果を見たときは、まず性質と方法が合っているかを調べます。

覚えておく要点

水に溶けにくく反応しにくい気体には水上置換を考えます。 水を使いにくいときは空気との重さで容器の向きを決めます。 酸素は燃焼を助け、水素は燃え、二酸化炭素は石灰水を白くにごらせます。 アンモニアは水に非常に溶けやすく、その水溶液はアルカリ性です。

どこで迷ったかを見つける

お子さまが置換方法の名前を言えても、図の口や矢印を描けない場合は、名前と気体の移動が結びついていないかもしれません。容器内の空気を指し、気体が入るとどこから出るかを説明してもらいます。逆に図は描けるのに名前を取り違える場合は、描いた向きに上方置換、下方置換の言葉を後から対応させます。

個別指導では、水に溶ける条件を変えたときに同じ方法を選べるか、確認結果の主語を言えるかを途中で確かめます。答えが合った場合も、水や空気の行き先を説明できれば別の装置図に応用できます。気体の性質から矢印をたどれば、捕集方法の名前にも理由が生まれます。