白い粉を加熱したあと、白い粉が残りました。「色が同じだから、物質も同じ」と判断してよいでしょうか。重曹、すなわち炭酸水素ナトリウムの熱分解は、見た目だけで変化を決められない例です。加熱によって別の物質ができますが、残る固体も白く見えます。
もう一つ気をつけたいのが、重さの差です。加熱前より軽くなったとき、「出ていった二酸化炭素の重さだ」とすぐ書くと、もう一種類の生成物を落とします。発生するのは二酸化炭素だけではありません。水もできます。今回は、何が残り、何が量りの対象から外れたかを整理します。実験の加熱操作を家庭で再現する手順ではなく、与えられた記録を読む記事です。
熱分解は、とけることとは違う
炭酸水素ナトリウムを加熱すると、炭酸ナトリウム、二酸化炭素、水が生じます。加熱で一つの物質から複数の物質ができる化学変化を熱分解と呼びます。水に入れて見えなくなる溶解とも、氷が水になる融解とも区別します。
炭酸水素ナトリウムという長い名前を、言葉の切れ目で分けて「炭酸・水素・ナトリウムが出る」と考えてはいけません。名称を読み解く問題ではなく、実験で何ができたかを調べる問題です。水素が発生した証拠がないのに、名前に水素が入っていることだけで答えを作らないようにします。
加熱後の粉の性質を調べたり、発生した気体や冷えて付着した液体を調べたりして、生成物を確かめます。「白い」という一つの特徴が共通でも、別の性質まで同じとは限りません。食塩と砂糖の見分けと同様に、色以外の情報が必要になる場面です。
量りの上に何を載せたかを書く
加熱前後で固体だけを比べる場合、気体や水が外へ出ると、測定される重さは小さくなります。しかし、物質が消滅したという意味ではありません。測定の対象から外れただけです。
特に水については、熱い部分から水蒸気として移動し、冷たい部分で液体になることがあります。その水まで装置の中に残して量ったのか、外へ出たものとして扱ったのかで差が変わります。問題文の「固体の重さ」と「装置全体の重さ」を同じものとして計算しないでください。
質量保存という言葉を使うなら、範囲も添えます。反応に関わるすべての物質を合計すれば保存されても、取り出した固体だけの値は変わります。前後の表の上に「固体のみ」「水を含む」などと短く書き込むと、引き算の意味が確かめられます。
例題1：3.1g減ったら、二酸化炭素も3.1g？
計算用の理想化した記録です。炭酸水素ナトリウム8.4gを十分に反応させたところ、乾いた固体が5.3g残りました。生成した水0.9gは別の場所で回収されています。二酸化炭素と水だけが固体から出て、粉が飛び散るなどの損失はないものとします。二酸化炭素は何gですか。
答え・解説： 固体から減った分は8.4−5.3＝3.1gです。これは水と二酸化炭素の合計なので、3.1−0.9＝2.2gが二酸化炭素です。確かめ算は5.3＋0.9＋2.2＝8.4gとなります。残った物、回収した水、気体の三つを一列に並べれば、初めの量へ戻ります。
3.1gという値自体が間違いなのではありません。それを何の量と呼んだかが間違いになります。引き算ができたあと、「差に含まれるもの」を文章で答える習慣をつけると、石灰石と塩酸のように気体だけを考える問題との混同を防げます。
反応が途中なら、残り全部を生成物と呼ばない
加熱の途中で測定すると、残った固体には、まだ反応していない炭酸水素ナトリウムと、できた炭酸ナトリウムが混ざっている場合があります。固体の重さが分かっただけでは、すべて分解し終えたとは言えません。
反応が進むにつれて固体が減り、十分に反応したあと一定になる模型なら、その最終値を基準にできます。ただし、測定値が一度変わらなかっただけで完全な反応だと断定せず、問題に示された「十分に反応」「一定になるまで」という条件を確認します。現実には加熱の状態や測定誤差もあるため、計算模型と観察事実を分けることが必要です。
例題2：途中で止めたときの固体の中身
例題1と同じ物質8.4gのうち、半分の4.2gだけが反応し、残りは未反応とします。反応した量と生成量は比例するものとして、残る乾いた固体の合計を求めましょう。
答え・解説： 反応した4.2gからできる炭酸ナトリウムは、5.3÷2＝2.65gです。これに未反応の炭酸水素ナトリウム4.2gが残るので、合計は6.85gです。5.3÷2だけで終えると、反応していない粉を数え落としています。
別の確認として、出た水と二酸化炭素は3.1÷2＝1.55gだから、8.4−1.55＝6.85gとも求められます。「残った固体の内訳を足す方法」と「外へ出た量を引く方法」が同じ答えになることを確かめてください。
色、性質、重さを別々の証拠にする
白い粉が残ったという観察、二酸化炭素を確認した反応、量った重さの差は、それぞれ違う情報です。一つの観察だけで全部を説明しようとしないことが、長い実験問題を読む助けになります。
気体の確認は石灰水の変化を証拠として読む記事へ、複数の反応を順に追う練習は化学変化の順序と条件整理へつなげてください。「何g減ったか」の次に、「その何gには何が入っているか」まで説明できれば、重さの計算はずっと安定します。