中学受験理科｜銅が緑色になると中まで変わる？｜緑青と残った金属を分ける

古い銅の屋根や銅像が青緑色に見えるのは、表面に腐食生成物の層ができるためです。日本語では緑青と呼ばれますが、屋外の青緑色の層がいつでも一種類の化合物でできているわけではありません。周囲の成分や湿り気などにより、その組成や状態は変わります。

黒い酸化銅と青緑色の層を同じにしない

理科で銅を加熱すると、黒い酸化物ができる変化を扱います。一方、屋外で時間をかけてできる青緑色の層には、異なる成分が含まれ得ます。「銅が酸素と反応したら必ず緑色になる」とまとめるのは不正確です。実験条件と、目にしている表面の色を対応させましょう。

また、表面の色が変わっても、内部まで全部同じ物質に変化したとは限りません。薄い表面層の下に金属の銅が残る場合があります。表面の写真だけで金属全体の残量を決めることはできず、断面や成分分析など別の情報が必要になります。

図：加熱酸化の黒色と屋外の腐食層を分け、層の重さを金属消費と取り違えない。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

腐食によってできた層には、もともとの銅に加え、周囲から取り込まれた成分が含まれます。したがって、はがれた層が2gあったとしても、金属の銅が2g使われたとは限りません。問題が層の成分割合を与えているなら、そこから銅の分だけを取り出して計算します。

ここでは実際の緑青の化学式を一つに決めず、質量の内訳を与える模型にします。環境によって成分が変わる題材を扱うときには、「この層では銅が何%」と条件を限定することが重要です。例題の割合を、すべての銅像へ使うことはできません。

最初に金属の銅10gがありました。その一部が反応し、はがれずに付いている表面層が2gできました。この層の重さの60%が銅に由来し、残りは外から加わった成分とします。金属の銅として残った重さと、層を含めた全体の重さを求めなさい。

答え・解説： 層に移った銅は2×0.6＝1.2g。金属として残る銅は10−1.2＝8.8gです。層を合わせた全体は8.8＋2＝10.8g。増えた0.8gは外から加わった成分であり、銅が増殖したわけではありません。

例題1の後、表面層の半分がはがれ、別の容器に集まりました。層は均一で、ほかの反応や金属の脱落はないものとします。元の物体の重さと、はがれた層に含まれる銅の重さを求めなさい。

答え・解説： はがれた層は2÷2＝1gなので、元の物体は10.8−1＝9.8g。はがれた中の銅は1×0.6＝0.6gです。元の物体が初めより0.2g軽くても、失った銅は0.2gとは限りません。まだ付いている層には外来成分が残っているからです。

表面の層が内部の金属を環境から隔て、さらに反応する速度を抑えることがあります。しかし、青緑色ならすべて安定している、あるいは腐食が完全に止まった、と色だけで判断はできません。粉状の変化が続くなど、進行する腐食もあるためです。

資料に「重さの増加がだんだん小さくなる」という記録があった場合、表面層によって進みにくくなる可能性は考えられます。ただし、反応物が足りなくなった、湿度が下がったなど別の説明もあり得ます。層の役割を確かめるには、条件をそろえた比較が必要です。

写真から色の違いを読み取るなら、照明や撮影条件も確認します。濡れた表面と乾いた表面は見え方が違うことがあります。写真の青緑色が濃いから、腐食層が必ず二倍厚いといった数値化はできません。厚さの測定値が与えられている場合に、その値を使います。

金属の種類を見分ける題材でも、表面だけで断定しないことが大切です。銅を主成分とする合金や、表面に銅を施した物もあります。全体の材料を問う設問で、写真だけでは確定できないときには、その限界を答えとして残します。

この問題では、金属の銅、付着した層、はがれた層という三つの置き場所を追います。量った対象が違えば、同じ反応でも増加にも減少にも見えます。「10gが9.8gだから0.2gの銅が反応した」という近道をせず、層の内訳を使って銅だけの収支を調べることが重要です。

自然の色の変化を化学へつなぐとき、色は出発点になりますが、量の根拠そのものではありません。何が反応し、何が外から入り、何がはがれて出たのか。その三つを順に書くと、写真を使った資料問題でも計算と説明をつなげられます。

屋外の金属には、化学変化でできた層だけでなく、土ぼこりや鳥の排せつ物などが付くこともあります。色や重さが変わった原因を腐食だけに限定するには、表面に何があるかを調べる必要があります。水で落ちたという結果だけでも、すべてを汚れと決めることはできません。

例題は外から加わる成分を一つの欄へまとめましたが、実物の成分分析では複数の物質が区別されます。外来成分の重さが分かったことと、どの化合物か分かったことは同じではありません。計算できた数値の範囲から、知らない化学式まで作らないようにします。

断面写真を読む場合には、緑色の層、金属部分、下地の材料を別に塗ってみます。表面だけに銅が施された試料なら、内部の下地は銅ではないかもしれません。元素の名前、金属としての状態、目に見える色を三つの別の情報として整理できれば、複合した材料の問題にも対応できます。