過酸化水素水に二酸化マンガンを加えると、酸素が発生する反応が速く進みます。泡が勢いよく出る様子から、「二酸化マンガンをたくさん入れるほど、酸素もたくさんできる」と考えたくなります。しかし、ここで比べているのは、一秒間に出る量でしょうか。それとも、反応が終わるまでに出る合計量でしょうか。この二つは同じではありません。
触媒の問題では、グラフの途中の高さだけを見ないことが大切です。短い時間に多く集まったことと、最後まで集めた量が多いことを分けると、触媒の役割が見えてきます。
酸素になるもとは何か
この反応では、過酸化水素が分解して水と酸素になります。二酸化マンガンは、この分解を速く進める触媒として働きます。酸素の材料として二酸化マンガンがどんどん使い切られる、という説明ではありません。
ただし、「触媒は反応にまったく関わらない」と覚えるのも不正確です。反応が進む途中には関わりながら、全体としては元の状態に戻り、反応物のように消費されないのが触媒の特徴です。中学受験では、まず「酸素のもとになる過酸化水素」と「反応の進み方に関わる二酸化マンガン」を別の役割として整理しましょう。
同じ材料を、速く使うか、ゆっくり使うか
同じ濃度・同じ体積の過酸化水素水を二つ用意したとします。温度などもそろえ、違いを触媒の条件だけにします。どちらも過酸化水素が最後まで分解し、酸素を漏らさず回収できたなら、発生する酸素の総量は同じになります。速く反応した方は、同じ量を短い時間で出したことになります。
この比較では、回収中の漏れ、温度による気体の体積変化、反応の未完了を区別する必要があります。実測で差が出たからといって、すぐに「触媒が酸素の材料になった」と結論づけることはできません。問題文がどこまで条件をそろえたかを読むのです。
横ばいは「何も起きなかった」ではない
横軸を経過時間、縦軸を集めた酸素の合計体積とするグラフでは、曲線の傾きが急な区間ほど、その時間に増えた酸素が多いと読めます。曲線が高いことと、傾きが急なことは違います。高い位置で横ばいなら、すでに多く集まっていますが、その区間では増えていません。
横ばいになった理由は、条件から考えます。この例では過酸化水素を使い切ったとします。触媒がなくなったから、と自動的に説明しないでください。装置から気体が漏れた場合などは別の検討が必要ですが、例題で「漏れなし・反応完了」と指定されていれば、その条件に従って読みます。
例題1：二つの曲線の終点
同じ過酸化水素水を使ったAとBで、酸素を集めました。Aは20秒で40mL、40秒で60mLとなり、その後増えません。Bは20秒で20mL、40秒で40mL、80秒で60mLとなり、その後増えません。両方とも反応が完了したものとして、総量が多いのはどちらですか。数値は本稿の模型です。
答え・解説： 総量はどちらも60mLです。20秒の時点ではAがBの2倍ですが、それを最終的な量の比にしてはいけません。Aは先に60mLまで集まり、Bはあとから同じ量に達しています。「Aは速い」と「Aは多く作る」を、別の文にして判断します。
例題2：触媒の量だけを2倍にしたら
ある実験で、過酸化水素をすべて分解させると酸素が120mL集まりました。同じ過酸化水素水を使い、二酸化マンガンの量だけを2倍にしたところ、反応が速く進みました。温度・圧力をそろえ、漏れなく最後まで集めると、酸素は240mLになるでしょうか。
答え・解説： この条件では120mLです。酸素のもとになる過酸化水素の量は変えていません。触媒を2倍にしても、酸素の材料を2倍にしたわけではないからです。また、反応が終わる時間が必ず半分になる、とも言えません。触媒の表面の状態なども進み方に関わるので、時間の比は与えられたデータから判断します。
比べる表の見出しを具体的にする
実験結果を「多い・少ない」でまとめると、速さと総量が混ざります。「20秒までに集めた体積」「反応完了までの体積」「完了した時刻」のように、何を測ったかまで書いてください。この三つを横に並べると、触媒が変えたものを説明しやすくなります。
反応の材料を増やす問題と触媒を増やす問題は、同じ掛け算では処理できません。文章に出てくる物質を、材料・触媒・生成物に分ける一手間を入れましょう。色の変化から言える範囲や実験の考察にもつながる、観察と結論を分ける練習になります。