中学受験理科｜不完全燃焼の重さを読む｜一酸化炭素と二酸化炭素

炭素が燃えると二酸化炭素ができます。しかし、酸素が十分でない燃焼では、一酸化炭素なども生じます。同じ炭素からできた気体でも、結び付く酸素の重さが違えば、生成物の重さは変わります。「燃えた炭素の重さだけ」で気体の重さを決めないことが今回の課題です。

一酸化炭素は有害な気体です。本稿は実際に発生させる活動ではなく、与えられた反応の重さを表から考える入試向けの模型です。不完全燃焼を試すために酸素を減らしたり、密閉した場所で火を使ったりする内容ではありません。

二つの行先を別の箱にする

教材では、炭素12gと酸素32gから二酸化炭素44g、炭素12gと酸素16gから一酸化炭素28gができる、と指定します。どちらも反応前の重さを足すと反応後の重さになります。原子の数の詳しい計算を知らなくても、この換算表から比を使えます。

同じ12gの炭素でも、一酸化炭素になる方は、取り込む酸素が半分です。ただしできた気体は44gの半分の22gではなく28gです。炭素12gは半分になっていないため、酸素量の比を完成した気体全体の比へ移してはいけません。

二酸化炭素と一酸化炭素を、名前が似ているから同じ性質の気体と考えるのも誤りです。ここで共通に使うのは重さの保存であり、気体の確認方法や人体への影響まで共通だという意味ではありません。

例題1。箱の幅は質量比ではありません。与えられた換算を左右で比較します。

実際には、未反応の炭素やすすなどを含む複雑な状態になることがあります。酸素が少ないという一つの情報だけで、一酸化炭素と二酸化炭素の割合が一意に決まるわけではありません。

そこで例題には「炭素は全て反応し、生成物は二種類の気体だけ」「酸素は指定量が全て使われた」と条件を置きます。この二つがないと、残った炭素や残った酸素も未知数になるため、同じ計算では解けなくなります。条件を囲む作業が、式を立てる前に必要です。

炭素3gが全部二酸化炭素になる場合と、全部一酸化炭素になる場合を考えます。それぞれ必要な酸素と、できる気体の重さを求めてください。

答え・解説： 二酸化炭素なら酸素8g、気体11gです。12gの四分の一なので32÷4と44÷4。一酸化炭素なら酸素4g、気体7gで、16÷4と28÷4です。どちらも炭素3gを加えた収支、3＋8＝11、3＋4＝7が成り立ちます。

気体が空気中へ出ていけば、反応容器だけの重さは別の変化をします。ここで求めた11gや7gは生成した気体そのものの質量であり、開いた容器をはかりへ置いたときの表示の増減ではありません。どこまでを量ったかを固定します。

混合気体の問題では、まず炭素を全部一酸化炭素へ変えると仮定できます。その仮定より多く酸素が使われているなら、一部は二酸化炭素になったと考えます。炭素1gあたり、二酸化炭素になる方が酸素を4/3g多く使う、という差が手掛かりです。

気体の重さを直接二つの未知数にするより、炭素の行先を二つに分けた方が扱いやすい場合があります。元の炭素量は既知で、どちらへ分かれても合計は変わらないからです。

炭素6gが全て反応し、酸素12gが全て使われました。生成物は一酸化炭素と二酸化炭素だけです。各気体の重さを求めてください。

答え・解説： 炭素6gが全部一酸化炭素になるなら酸素8gです。実際は4g多いので、炭素のうち4÷（4/3）＝3gが二酸化炭素側へ行きました。残り3gが一酸化炭素側です。例題1から二酸化炭素11g、一酸化炭素7g。合計18gは6＋12と一致します。

「炭素が半分ずつだから気体も同じ重さ」とはなりません。半分ずつなのは炭素の部分だけで、酸素は8gと4gに分かれるためです。完成品の重さを比べる前に、足された酸素を図に書き込みましょう。

炭素側で3＋3＝6、酸素側で8＋4＝12の両方を確かめます。生成物合計だけが18gになっていても、内訳が正しいとは限りません。材料ごとの収支まで戻せれば、偶然合計だけが合った誤答を見つけられます。

最後に、気体の体積はこの重さの比そのものではありません。体積へ直すための換算条件が与えられていない問題では、11対7を体積比と答えないでください。重さで解いた結果を、別の量へ無断で読み替えないところまでが、この資料問題の解き方です。