塩酸を濃くした実験では、泡が勢いよく出ました。それだけを見て「水素がたくさんできた」と答えてよいでしょうか。一秒間に出る量が多いことと、反応が終わるまでに出た合計が多いことは別です。グラフの傾きと最後の高さを分けて読みましょう。
同じ質量のマグネシウムに、濃さの違う塩酸を加える模型を考えます。どちらにも金属を全て反応させるだけの塩酸が十分ある、という条件が重要です。濃度を変えたという情報だけでは、最後の水素量が同じになるとはまだ言えません。
まず何が反応を止めたか
金属が全てなくなれば、塩酸が残っていてもその金属から水素はもう出ません。この場合、同じ金属を同じ質量使えば、最後までに生じる水素の量は同じになります。反応に必要な量を超えた酸は、使われずに残ります。
逆に塩酸が先になくなれば、金属が残ったところで反応が止まります。薄い塩酸を少量しか入れなかった実験では、こちらになる可能性があります。「薄いから合計が少ない」と言う前に、酸の成分の合計量が足りていたかを確認します。
溶液の体積が同じでも、濃度が違えば酸の成分量は違います。薄い液を多く使うことで、濃い液と同じ成分量を用意することもできます。濃さ、液量、反応できる金属量の三つを、同じ一語で扱わないようにします。
速さは同じ時間の増加量で読む
横軸を時間、縦軸を集めた水素の累積体積とするグラフでは、急に上がる部分ほど短い時間に多くの水素が出ています。途中で横ばいになるのは、その後の増加がほぼなくなったことを意味します。横ばいの線が高いほど「いつでも速い」という意味ではありません。
たとえば既に反応が終わった実験Aが100mL、まだ反応中のBが80mLなら、その瞬間のAの発生はゼロ、Bは発生中かもしれません。累積の高さと、その時点の増える速さが逆の印象になる場面です。
例題1｜30秒では差があった
同量の金属を使ったAとBで、30秒後の水素はそれぞれ60mL、30mLでした。最終量はどちらも120mLです。最初の30秒間の平均発生速度と、最後の量の比を答えてください。温度・圧力は同じです。
答え・解説： Aは毎秒2mL、Bは毎秒1mLです。60÷30と30÷30で求めます。最終量の比は1対1。最初の平均速度は2対1でも、合計量が2対1になるわけではありません。Bは、Aより長い時間をかけて同じ量に到達したと読めます。
なお、この記録は最初の30秒間の平均です。Aが毎秒ずっと2mLずつ出したとまでは分かりません。始めに速く、後からゆっくりになっても同じ60mLになります。細かい時間変化を問うなら、測定点を増やす必要があります。
例題2｜酸が不足する条件へ変えたら
ある金属0.30gが全部反応すると水素300mLを生じます。塩酸Xはこの金属0.20g分、塩酸Yは0.50g分まで反応できる成分量を含みます。金属0.30gに各液を別々に加えたときの水素の最終量と、残る金属量を求めます。
答え・解説： Xでは200mLで、金属0.10gが残ります。0.20g分しか反応できないからです。Yでは300mL、金属は残りません。Yの酸は余りますが、金属が0.30gしかないので500mLにはなりません。反応可能量と用意した金属量の小さい方を選びます。
ここで示した換算は教材用です。液の濃度を数値で指定していないので、この例題からX・Yの反応速度の比は計算できません。最終量を決める情報がそろっていても、速度を決める情報は不足していることがあります。
比べるための実験条件
濃度の影響を調べるなら、金属の種類・質量だけでなく形状や表面の状態、液の温度、かき混ぜ方などもそろえます。細かくした金属と大きな塊を使い分けてしまえば、接する表面積の違いも結果へ入ります。
反応で温度が上がる場合、開始温度をそろえただけで全時間の温度条件が完全に同じとは限りません。入試の資料に「温度は一定に保った」とあれば、その工夫を読み落とさないようにします。気体を体積で比較するときも温度と圧力をそろえます。
この内容は実験記録を読むためのもので、家庭で塩酸と金属を混ぜる手順ではありません。最後にノートへ「傾きは速さ、横ばいの高さは合計、その原因は先に尽きた物質」と整理すると、泡の勢いだけに引っ張られない答案になります。
終点を確かめるには、測定を途中で打ち切らず、増加が止まった状態を比較する必要があります。三十秒の値しかない表では、最後も同じ順位になるとは限りません。「現在集まっている量」と「これからも含む全量」を、実験ノートの見出しから区別しておくと、観察していない終点を推測で埋めずに済みます。
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