銅を加熱して重くなったとき、その増加分は結びついた酸素の重さです。ただし、重くなったからといって銅が全部反応したとは限りません。途中の固体に、未反応の銅と酸化銅が混ざっている場合があります。中学入試の計算では、増えた重さから「反応した銅」を先に求めるのが見通しのよい順序です。
以下では銅と酸素が重さの比4：1で結びつき、黒色の酸化銅になる模型を使います。生成物の種類は問題文の指定に従い、固体の飛散や混入はないものとします。実験操作の案内ではなく、測定表を読むための条件です。
増加量を掛ける相手は、最初の銅全部ではない
銅4gがすべて反応すれば、酸素1gを取り込み、酸化銅は5gになります。この対応から、酸素が0.2g結びついたなら反応した銅は0.8g、できた酸化銅は1.0gと分かります。
最初に銅を2g入れていたとしても、この段階で反応したのは0.8gです。残りの1.2gは銅のままです。固体全体は酸化銅1.0gと銅1.2gを合わせて2.2gとなります。「酸化後の固体」と「できた酸化銅」を同じ重さで答えないようにします。
ここで比の5に対応するのは酸化銅だけです。未反応の銅を含む全体へ4：1：5の比をそのまま当てはめると、存在しない酸素まで数えてしまいます。まず固体を二つの箱へ分けて描くと、掛け算の対象がはっきりします。
容器を含む記録は、差と総量を使い分ける
同じ容器で加熱前後を量ったなら、その差から酸素の増加量が分かります。容器の重さは前後で打ち消されるため、増加分だけなら空の容器の値を使わず求められます。
一方、最初の銅が何gかを知るには、加熱前の総重量から空の容器を引く必要があります。差を出す計算と、銅の量を出す計算は別です。表の数字が大きいからといって、容器込みの値を金属の比へ入れてはいけません。
空の容器30.0g、銅を入れて34.0g、途中で34.6gなら、銅の初期量は4.0g、取り込んだ酸素は0.6gです。この二つを別の欄へ転記してから、反応した部分を調べます。
例題1：途中で残っている銅を求める
銅4.0gを加熱したところ、固体全体が4.6gになりました。銅と酸素は4：1で反応し、生成物は指定された酸化銅だけです。未反応の銅と、できた酸化銅はそれぞれ何gですか。
答え・解説：未反応の銅1.6g、酸化銅3.0gです。 増えた酸素は4.6−4.0＝0.6g。この酸素に結びついた銅は0.6×4＝2.4gです。未反応分は4.0−2.4＝1.6g。酸化銅は2.4＋0.6＝3.0gとなります。
1.6＋3.0＝4.6で全体の測定値へ戻ります。また最初の4.0gの銅は、反応した2.4gと残り1.6gに分かれるので、銅そのものの収支も合います。二通りの合計を確かめると、酸素と未反応の銅の取り違えを防げます。
加熱を続けた後の増加を読む
同じ固体をさらに加熱して重さが増えたなら、新たに酸素が結びついたと考えます。ただし「加熱した回数に比例して増える」とは限りません。反応できる銅の残量には限りがあるからです。
初めの銅4gがすべて指定の酸化銅になったとき、取り込める酸素は合計1g、固体は5gです。この上限を先に出せば、途中の記録が条件と矛盾していないかも調べられます。例えば固体が5.2gという記録なら、同じ条件だけでは説明できません。
例題2：次の加熱で増える重さ
最初の銅3.2gを加熱し、途中で固体が3.6gになりました。その後、銅がすべて同じ酸化銅になるまで反応させたとします。途中からさらに何g増えますか。また途中で未反応だった銅は何gですか。
答え・解説：さらに0.4g増え、途中の未反応の銅は1.6gです。 全部の銅に必要な酸素は3.2÷4＝0.8g。途中までに入った酸素は3.6−3.2＝0.4gなので、残りは0.8−0.4＝0.4gです。
途中で反応した銅は0.4×4＝1.6g、未反応分も3.2−1.6＝1.6gです。最後の固体は3.2＋0.8＝4.0gとなり、途中の3.6gとの差も0.4gになります。
重さが変わらない記録だけで断定しない
表で同じ値が続いても、実際の実験では酸素が届きにくい、測定の細かさより変化が小さい、といった可能性があります。入試の模型で「十分に反応した」と指定されていれば、それを根拠に終点として扱います。
黒く見えることだけで全量が酸化したと決めるのも早計です。目に見える表面の様子と、内部を含む量の計算は区別します。答案では「増加量→酸素→反応した銅→残った銅」の順に書くと、途中の固体を正しく説明できます。
関連する記事でつなぐ
鉄を燃やすと重くなるのはなぜ？｜「何を量ったか」から考える質量の変化