中学受験理科講座　気体の性質〜酸素と二酸化炭素〜

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空気の成分

空気ってなに？

空気ってなんなの？見えないし触れないし、そこにあるのかどうかもわかんないし。

はるか

Haru_You

空のビニール袋を振り回して口をしばれば、中に気体がたまってふくらむじゃん。
だからそこらじゅうに何か気体があるってことはわかるわけ。
で、われわれの身の回りにある気体のことを空気とよぶんだ。

空気っていう名前の物質があるわけじゃないんだ。

はるか

Haru_You

空気はいろいろな気体をまぜたものの総称だからね。
物質の名前でいえばちっ素、酸素、二酸化炭素なんかが、空気を構成する物質だね。

空気の中で一番割合が多いのは酸素じゃなくてちっ素なのか。

はるか

Haru_You

うん、大まかにいうと酸素は$\frac{1}{5}$、ちっ素が$\frac{4}{5}$だね。
細かく言うと酸素21％、ちっ素78％で、その他の1%の中に二酸化炭素が0.03%〜0.04%含まれてる。

あれ、思ったより二酸化炭素の割合は小さいんだね。
温暖化とかで増えてるってよく言われるからもっと多いかと思ってた。

はるか

ちっ素って？

空気中に一番多く含まれるちっ素は、どんな気体なの？

はるか

Haru_You

ちっ素は、空気よりほんのわずかに軽くて水にはとけにくい気体だね。
あと、酸素と二酸化炭素は呼吸や燃焼に使われて空気中の割合も変わるけど、ちっ素は何にも使われないからずっと一定の割合になるって特徴があるよ。

じゃあ、なんの役にも立たない気体ってこと？

はるか

Haru_You

いや、空気中のちっ素をそのまま使うことができないってだけで、植物が根から肥料として吸収するし、それが動物のたんぱく質につながっていくんだよ。
化学的にもちっ素はアンモニアから肥料、火薬の材料として有用だしね。

酸素の性質

酸素の助燃性

酸素といえば、人や植物が呼吸で取り込む気体だよね。

はるか

Haru_You

生物分野ではそこが重要だけど、化学分野ではものを燃やす酸素の性質、いわゆる「助燃性」のほうが重要かな。

酸素がよく燃えるってこと？

はるか

Haru_You

いや、酸素は燃えないんだ。
「燃える」ってのは、他の物質が酸素と結びつくときに熱と光を出すことをさしているんだよ。

酸素と結びつくことを燃えるっていうなら、酸素がないところではものは燃えるわけないね。

はるか

Haru_You

そうだね。
逆に空気中より酸素が多い、酸素だけを入れたびんの中ではものの燃え方は激しくなるよ。

線香やいおうはほのおをあげるのに、木炭やスチールウールがほのおをあげないのはなんで？

はるか

Haru_You

ほのお、っていうのは気体が燃焼（酸化）するときの熱と光のことなんだ。
鉄や木炭は固体のまま燃えるから、炎はあげないんだよ。

二酸化炭素の性質

石灰水と二酸化炭素

Haru_You

二酸化炭素の検出といえば、石灰水がおなじみだよね。
石灰水に二酸化炭素を通すと、白くにごる。
小学生の理科で「白くにごる」は、9割方この反応だからね。

でも、石灰水ってなんなの？
石灰石をとかした水？

はるか

Haru_You

水酸化カルシウムという物質の水溶液を石灰水とよぶんだ。
アルカリ性の水溶液だね。
石灰石は炭酸カルシウムを主成分とする「石」だからね、水にとけないよ。

で、なんで二酸化炭素を通すと石灰水が白くにごるの？

はるか

Haru_You

水溶液ってのは透明なものだろ。
ところが、石灰水の溶質の水酸化カルシウムは二酸化炭素と結びつくと、水にとけない炭酸カルシウムに変わるんだ。
水にとけないから、白くにごって見えるわけ。

二酸化炭素はいつできる？

二酸化炭素って空気中には0.04%しか含まれてないのに、理科ではしょっちゅう使うよね。

はるか

Haru_You

炭素を含む物質が燃焼（酸化）すると二酸化炭素が発生するからね。
紙、ろうそく、木、石油製品など多くのもの、生物に由来するすべてのものに炭素が含まれてて、燃やしても二酸化炭素がでないのは炭素を含まない金属を燃やすときだけなんだ。

あと、呼吸でもでてくるじゃん。
なんで生物は二酸化炭素をはき出すの？

はるか

Haru_You

呼吸ってのは体内で糖を燃焼（酸化）させてエネルギーにすること、という意味もあってね。
もちろん体内では炎をあげるような急激な燃焼はしてないけど、糖は炭素を含んでるから燃焼すれば二酸化炭素ができるんだ。

気体の発生装置と集め方

気体の発生装置

さっきから出てきてる水上置換とか下方置換ってなに？

はるか

Haru_You

実験で発生させた気体を集める装置のことだね。
水に溶けない気体なら、空気が混ざらないように水中で集める「水上置換」で集めるんだ。
水に溶ける気体は空気中で集めるんだけど、空気より軽い気体なら上向きに集める「上方置換」、空気より重い気体は下向きに集める「下方置換」になるよ。

実験で気体発生させるって、どうやるの？

はるか

Haru_You

2種類の薬品を反応させると気体が発生する組み合わせがあるんだ。
組み合わせはそれぞれ別で解説するけど、基本的には固体の入った三角フラスコに液体を注ぐやりかただね。

ガラス管の長さを変えるってあるけど、液体を注ぐコックつきろうとのほうを短くしちゃダメなの？

はるか

Haru_You

ろうと側に気体が入っちゃうと、ろうとの液体が吹き出しちゃうんだよ。
だから気体が入らないようにガラス管を長くして、フラスコにたまった液体の中に入るようにしちゃうんだ。

二酸化炭素は水上置換？

あれ？二酸化炭素の集め方は下方置換と水上置換の両方に書いてあるけど、水にとけちゃうから水上置換じゃだめじゃない？

はるか

Haru_You

確かに二酸化炭素は水にとけるんだけど、わずかな量しか溶けないからね、どっちでも集められるんだ。
ただ、水上置換って装置作るのも面倒じゃん？
下方置換なら空気もすこし混ざっちゃうけど準備が簡単だからね、目的によって集め方を変えるんだ。

水上置換をつかうのはどんなとき？

はるか

Haru_You

水にとけにくい気体は必ず水上置換するよ。
二酸化炭素で水上置換するのは、水に多少とけても純粋な二酸化炭素を集めたいときだね。
水そうの中の集気びんを水でいっぱいにしておくと、外の空気はまざらないからね。
ただし、発生が始まってすぐの気体は集めても意味がないから捨てるんだ。

なんで？

はるか

Haru_You

最初に出てくる気体は発生した気体じゃなくて、三角フラスコの中に入ってた空気だからね。
空気がすべて追い出されてから集めれば、発生した純粋な気体が集められるよ。

じゃあ、アンモニアや塩化水素も水上置換すれば純粋な気体が集められるの？

はるか

Haru_You

いやいや、そいつらはめっちゃ水にとけるから水上置換は無理なんだ。
アンモニアは唯一の上方置換で集める気体だし、塩化水素と二酸化いおうは水によくとけて酸性の液体になるから危ないので下方置換するのを覚えておくこと。

酸素の発生

二酸化マンガンと過酸化水素水

Haru_You

酸素の発生に使うのは、二酸化マンガンという固体と、うすい過酸化水素水という液体。
この2つのどっちかが出てきてたら、ほぼ100％酸素を発生させる実験だからね。

他のものじゃ酸素は発生しないの？。

はるか

Haru_You

過酸化水素水については、薬局で売っている「オキシドール」という消毒薬の名前で出てくることがたまにあるかな。
でも、中身としては同じものだね。
二酸化マンガンについては、すりおろしたじゃがいもや生のレバー、人の血液なんかでも代用できるよ。

なんか、薬品って感じじゃないものでも発生できるんだね。

はるか

Haru_You

これはね、過酸化水素水だけが分解して酸素を発生させるからなんだ。
ここで使う二酸化マンガンやその他の材料はみんな、なにか反応してるんじゃなくて過酸化水素水の分解を早めてるだけ。
こういうのを「触媒」っていうんだ。

酸素の発生量

わざわざ「うすい」過酸化水素水って指定してあるのはなんで？
過酸化水素水が濃いと、酸素が発生しないの？

はるか

Haru_You

いや、過酸化水素水が濃ければ酸素はたくさん発生するよ。
ただ、濃すぎると酸素の発生が激しくなりすぎて危ないんだ。
過酸化水素水は分解して酸素と水になるんだけど、そのときに熱も発生するから残った水が水蒸気になって、フラスコのゴム栓を吹き飛ばしちゃうことがあるんだね。

濃ければ酸素はたくさん発生するってことは、酸素の発生量って過酸化水素水の濃さで決まるの？

はるか

Haru_You

過酸化水素水が濃かったり、量が多ければそれだけたくさんの過酸化水素が分解するんだから、たくさんの酸素が発生するね。
そのとき、過酸化水素水の量／濃さを2倍、3倍･･･にすると、酸素発生量も2倍、3倍･･･、いわゆる比例関係になるよ。
覚えておいて欲しいんだけど、化学での計算はみんな比例計算だからね。
下のグラフみたいになるから。

酸素を発生させてる間に、二酸化マンガンはなくなったりしないの？

はるか

Haru_You

さっき説明しただろ、「触媒」って。
二酸化マンガンは変化したり減ったりしないし、酸素の発生量に影響を与えることもないんだ。
でも、二酸化マンガンが多ければ最終的な発生量は同じでも、速く酸素が発生するよ。

二酸化マンガンが粉末だと、酸素の発生が速くなるのはどうして？

はるか

Haru_You

粉状にすると、量は同じでも、過酸化水素とふれあう表面積が増えるんだよ。
大きなかたまりで入れても、かたまりの内側は過酸化酸素に触れないじゃん。
細かくすれば一つ一つの粒が過酸化酸素に触れるから、それぞれが分解をすすめてくれるでしょ。
粉状だと反応が速いとか、まんべんなく反応するってのは他の物質での反応のときも同じだからね。

二酸化炭素の発生

石灰石と炭酸カルシウム

Haru_You

二酸化炭素の発生に使うのは、石灰石っていう白い固体と、うすい塩酸という液体だね。
石灰石がでてきたら、ほぼ二酸化炭素の発生と見て間違いはないけど、塩酸は他にも使うからそれだけで決めず条件をよく読むこと。

石灰石の代わりに、卵のからやチョークでも二酸化炭素が発生するって見たことがあるよ。

はるか

Haru_You

そのどれにも「炭酸カルシウム」が含まれているんだよ。
とくに石灰石は主成分が炭酸カルシウムだから、石灰石と書かずに炭酸カルシウムと書いてあることもあるけど、ここではほぼ同じものと思っていていいよ。
ほかに二酸化炭素を発生する方法として、重曹（炭酸水素ナトリウム）に塩酸を加えてもいいし、重曹は熱するだけでも二酸化炭素が発生するね。

二酸化炭素の発生量

二酸化炭素は石灰石と塩酸のどっちから発生するの？

はるか

Haru_You

一応、石灰石の中に含まれていた二酸化炭素が出てくると言えなくはないけどね。
この反応は酸素の発生と違って、石灰石と塩酸の両方が変化して二酸化炭素を発生させるから間違えないでね。

じゃあ、反応した後は塩酸も石灰石もなくなってるんだ。

はるか

Haru_You

常に全部なくなるわけじゃなくて、塩酸と石灰石のどちらかが先になくなればもう一方はあまって残るよ。
それに、反応後には必ず「塩化カルシウム」という、塩酸と炭酸カルシウムの反応でできた物質が残るんだ。
また、互いにちょうどぴったりなくなることを「過不足なく反応する」といって、計算問題ではそこを見つけるのがポイントになるよ。

見つけるって、どうすればいいの？

はるか

Haru_You

反応は必ず比例の関係になるから、比例が崩れたときが過不足なく反応するときなんだ。
グラフでいえば、グラフが折れ曲がる点が過不足なく反応するときってこと。

上のグラフだと、塩酸150cm³ってところで折れ曲がっているね。

はるか

Haru_You

このグラフは炭酸カルシウムを6gとかしたときのグラフだから、「炭酸カルシウム6gに塩酸150cm³が反応して、二酸化炭素が1.5L発生する」って関係が読み取れるわけ。
そのあと、グラフが折れ曲がってしまうのは、塩酸を増やしても二酸化炭素の発生量は変わらないからだね。
なんで二酸化炭素の発生量が変わらないかわかるかい？

炭酸カルシウムがなくなっちゃうからだね。

はるか

反応量の読み取り

Haru_You

じゃあ、上の表の条件では、塩酸100cm³に過不足なく反応する石灰石の量は何gだかわかる？

石灰石4.0gで二酸化炭素の発生が止まってるから、4.0g？

はるか

Haru_You

残念、はずれだね。
表を見るときは比例関係に注意して。
石灰石1.0g～3.0gまでは比例しているけど、4.0gは比例していないだろ？
二酸化炭素の発生量が、石灰石1.0gのときの（1050÷300＝）3.5倍で止まっているから、そのときに使われる石灰石も1.0gの3.5倍のはずだよね。

表に書いてない数字を読み取らなきゃいけないんだ。
難しいなあ。

はるか

Haru_You

比例だけだから、慣れれば簡単だよ。
こうやって過不足なく反応する点さえ見つければ、たとえばこの塩酸150cm³に石灰石を4.2g加えると、二酸化炭素が何cm³発生して、とか計算できるんだ。

えーと、石灰石は4.2÷3.5＝1.2倍で、塩酸は150÷100＝1.5倍だから・・・石灰石が先になくなって塩酸が残るんだね。
そしたら、二酸化炭素は石灰石に合わせて1.2倍で1050×1.2＝1260cm³発生かな。

はるか

Haru_You

よくできました。
あとは演習プリントやオンラインテストを使って練習してね。

水素の性質と発生

水素の性質

水素は空気中にはあまり多く存在しないのに、わざわざ取り上げる必要があるの？

はるか

Haru_You

水素の性質として、最も軽い気体ってのは大事だから覚えておいてね。
それに水素は空気中にはなくても、読んで字の如く「水の素」だからね。
水素は水を構成している物質なんだよ。

じゃあ、水素から水を作ったり、水から水素を取り出したりできるの？

はるか

Haru_You

うん、水素に火を付けると燃焼（酸化）して、水ができるんだ。
そのときに爆発音もするよ。
水素の発生は水の電気分解でやることもあるけど、ここでは別の発生方法を覚えるよ。

水素の発生

Haru_You

水素は鉄・アルミニウム・亜鉛（あえん）・マグネシウムなどの金属とうすい塩酸の反応で発生するよ。
このとき金属がとけて水素が発生するように見えるけど、実際には塩酸が分解して水素が発生しているんだ。
ただし、二酸化炭素と同様に、金属と塩酸、どちらの物質も変化して別の物質に変わるからね。
たとえば、アルミニウムをとかしたときは塩化アルミニウム、鉄のときは塩化鉄、みたいに塩化○○って物質が残るんだ。

金属だったらなんでもとけるの？

はるか

Haru_You

いや、銅は塩酸にとけないから気をつけて。
あと、金と銀もとけないからね。
また、アルミニウムと亜鉛は水酸化ナトリウム水溶液にもとけて、同じように水素が発生するよ。
だけど、鉄は水酸化ナトリウム水溶液にとけないのも気をつけること。

発生量の計算方法は二酸化炭素のときと同じ？

はるか

Haru_You

そうだね、二酸化炭素のときと同じように、過不足なく反応する点を見つければOKだよ。

その他の気体

アンモニアの性質

アンモニアっていえば、くさいやつだよね。

はるか

Haru_You

うん、においのある気体（水溶液）の代表だね。
あとはアンモニアは上方置換で集める唯一の気体ってことと、水にとてもよくとけるって性質もあるから、アンモニアふん水って実験がよく取り上げられるよ。

塩化水素と塩酸

塩化水素ってのは初めてでてきたけど、なに？

はるか

Haru_You

いや、これまでにも何度も出てきてるんだ。
「塩酸」っていうのは、塩化水素という気体がとけた水溶液のことだからね。
においがあって水によくとける、という塩化水素の性質はアンモニアと同じだけど、塩化水素は空気より重いからね。

その他の気体

Haru_You

あと理科で名前が出てくる気体としては、二酸化いおう、オゾン、一酸化炭素、メタン・プロパンってとこかな。

二酸化いおうは、いおうが燃えたらできるのかな？

はるか

Haru_You

うん、いおうが燃えるときに発生するにおいのある有毒な気体だね。
これも水によく溶けて、水より重いんだ。
大気汚染・酸性雨の原因物質としても名前が出てくるね。

オゾンは、オゾン層って言葉が生物のところで出てくるよね。

はるか

Haru_You

うん、オゾンは酸素が変化したもので、上空のオゾン層は地球を太陽の紫外線から守っているんだ。
だけどフロンという物質がオゾンを分解してしまい、南極の上空にはオゾン層の穴（オゾンホール）ができているんだよね。

一酸化炭素は二酸化炭素の親戚？

はるか

Haru_You

そうだね、炭素を燃やす際に酸素が十分にないと一酸化炭素が発生するんだ。
二酸化炭素と比べて酸素がたりなくて不安定なので、周りから酸素を奪う性質があるから人間が吸い込むと体内の酸素を奪ってしまい、中毒を引き起こす危険な物質だね。

メタンとプロパンはなに？

はるか

Haru_You

どちらも、「天然ガス」と呼ばれる炭素と水素が結びついた燃料の一種だね。

気体の性質　一問一答演習問題プリント

演習プリントには、Excelファイル版とPDFファイル版があります。
Excelファイル版はリロード・再計算（F8）するたびに数字や配列が変わります。
マクロは使用していませんので、セキュリティ警告はありません。
なお、PDF版では20問の収録ですが、Excel版にはより多くの問題を収録しています。

はるか