黒い酸化銅と炭素を反応させると、銅を得ることができます。「酸化銅から酸素を取り除く」と聞いたとき、取り除かれた酸素を、そのまま酸素という気体として数えていないでしょうか。この反応では、酸化銅に含まれていた酸素が炭素と結び付き、二酸化炭素になります。
酸素がなくなった、とだけ書くと、その後の行き先が抜けます。今回は、反応で何が相手へ移ったのかを考え、銅の重さと気体の重さを別々に計算します。加熱操作を家庭で行う案内ではなく、反応条件が指定された実験記録の読み方です。
「酸素を失う側」と「受け取る側」
この範囲では、物質が酸素と結び付く変化を酸化、酸化物が酸素を失う変化を還元として扱います。酸化銅は酸素を失って銅になり、炭素は酸素と結び付いて二酸化炭素になります。一つの反応を、二つの立場から見ています。
黒い粉から銅が現れたことだけに注目すると、炭素の役割が見えにくくなります。炭素は単に粉を混ぜやすくするための物ではなく、反応に参加する物質です。反応後の気体に、炭素に由来する分も含まれます。
なお、酸化・還元はより広い定義をもつ言葉ですが、ここでは酸素の移動で説明できる反応に絞ります。すべての還元に炭素が必要、という意味ではありません。問題に示された組合せについて、出発物質と生成物を追ってください。
気体の重さは、酸素の重さだけではない
酸化銅の重さから、できた銅の重さを引くと、酸化銅に含まれていた酸素の分が分かります。ただし、それがそのまま二酸化炭素の重さになるわけではありません。炭素の分を加える必要があります。
例えば「材料の中の酸素」と「反応後の二酸化炭素」を同じ枠へ書くと、差を混同しやすくなります。図では、酸化銅を銅の分と酸素の分に分け、酸素の分から炭素側へ矢印を引きます。これは酸化銅の中に酸素の泡が入っている図ではなく、重さの成分を整理する図です。
例題1：出た気体は何gか
計算用に、酸化銅10.0gと炭素0.75gが過不足なく反応し、銅8.0gと二酸化炭素だけができるものとします。外の空気との出入りや粉の飛散は考えません。酸化銅から移った酸素の重さと、できた二酸化炭素の重さを求めましょう。
答え・解説： 酸素の分は10.0−8.0＝2.0gです。二酸化炭素は、その2.0gと炭素0.75gを合わせて2.75gです。全体でも、初めの10.0＋0.75＝10.75gと、反応後の8.0＋2.75＝10.75gが一致します。
2.0gと2.75gは、どちらも計算途中に出る正しい値です。問題が何の重さを聞いているかで、採用する答えが変わります。「酸化銅から減った分」と「外へ出た気体」の二つを、同じ言い方で済ませないことが要点です。
固体の重さには、反応しなかった物も含まれる
反応に必要な量を超えて炭素を加えた場合、余った炭素が固体として残る模型を考えられます。その場合、反応後に量った固体全部を銅と呼ぶことはできません。銅と未反応の炭素の合計になります。
逆に炭素が足りない条件では、酸化銅が残る可能性があります。「固体が残った」という言葉だけでは、どれが何gあるかは分かりません。混合物の内訳を求めるには、どちらが先に使い切られるかを、与えられた反応比から決めます。
現実の加熱では、空気中の酸素との反応や、反応の進み具合も考慮が必要です。計算問題では条件を単純化しているので、指定のない副反応を勝手に足すことも、指定された未反応物を消すことも避けます。
例題2：多めに入れた炭素はどうなる？
例題1と同じ反応比で、酸化銅10.0gに炭素1.00gを加えました。酸化銅はすべて反応し、余った炭素はほかの反応をせず残るものとします。反応後の固体の合計と、二酸化炭素の重さを求めてください。
答え・解説： 使われる炭素は0.75gなので、余りは1.00−0.75＝0.25gです。銅は8.0gできるため、固体の合計は8.25gです。二酸化炭素は例題1と同じ2.75gになります。初めの11.00gから固体8.25gを引いても2.75gです。
炭素を増やしたから気体も同じ割合で増える、とは限りません。今回は酸化銅の量を変えておらず、その中にある酸素の量も増えていません。反応する相手が使い切られたあとの炭素を、計算上も残しておく必要があります。
色の変化と、物質の確認を分ける
黒い酸化銅から銅ができることは観察の手がかりですが、黒い部分が見えたときに、それが未反応の酸化銅か炭素かを色だけで決めるのは難しくなります。原料の性質、混ぜた割合、生成した気体など、複数の情報を合わせて考えます。
重さが減る実験でも、重曹の熱分解では水も生成物に含まれます。反応に使われず速さに関わる物質との違いは触媒と酸素の発生量で確かめられます。材料を加えた理由を「反応する」「反応を進みやすくする」まで言い分けると、似た実験の取り違えを減らせます。