酸素を発生させる装置から泡が出たとき、その最初の泡まで純粋な酸素だとは限りません。反応を始める前、フラスコや導管には空気が入っているからです。新しく発生した気体は、その空気を押し出したり、途中で混ざったりしながら出口へ向かいます。
水上置換で集気びんを水で満たしておくのは、びんの中の空気を追い出すためです。しかし、それだけでフラスコや導管の空気までなくなるわけではありません。「どの容器の空気を除いたか」を、装置全体の図で追うことが大切です。中学入試の操作の理由も、場所まで入れて答えましょう。
反応が始まる前の図を一枚描く
液体がフラスコの下半分に入っていても、その上には空間があります。導管の中にも、液体で満たしていない部分があります。これらの空間を、気体の通り道に沿って色で塗ってみてください。初めの空気がどこに残っているかが見えます。
装置から出た量と、欲しい気体だけの量は分けて数えます。混合気体100mLを集めても、目的の気体が80％なら、その体積は80mLです。残り20mLを無視して、発生量100mLと報告してしまうと、量と純度の両方で誤りが生まれます。
例題1｜空気が混ざらず押し出される模型
装置の出口までの空間に、初めに空気30mLが入っています。純粋な酸素を発生させ、出口から出る気体を最初から100mL集めました。ここでは、初めの空気が新しい酸素と混ざらず、先に30mLすべて押し出され、その後に純粋な酸素が出る模型とします。空気中の酸素を体積で20％とすると、集めた100mL中の酸素は何mLですか。
答え・解説： 最初の30mLは空気、その後の70mLは純粋な酸素です。空気30mLにも酸素が30×0.20＝6mL含まれるので、酸素の合計は6＋70＝76mL。体積の割合は76％です。
100−30＝70mLだけを答えると、空気中にもともと含まれていた酸素を落としています。一方、100mLすべてを反応でできた酸素とするのも誤りです。集めた酸素76mLのうち、新しく発生した酸素として集気びんに入った分は70mLです。「酸素の合計」と「反応由来の酸素」を同じ言葉で扱わないようにします。
この模型では、発生した酸素の一部は最後に装置内に残っています。装置の中と集気びんの中を別々に囲むと、反応でできた全量と回収した量が一致しなくても不思議ではないと分かります。
例題2｜採取順の違う気体をまとめる
今度は実測値を使います。順番に採取した三つの試料は、どれも50mLでした。酸素の体積割合は、第1試料が60％、第2試料が90％、第3試料が98％です。第2・第3試料をまとめた100mLの酸素割合は何％ですか。また、第1試料も一緒にすると何％ですか。
答え・解説： 第2試料の酸素は45mL、第3試料は49mLなので、合計94mL。100mL中に94mLあるため94％です。第1試料の酸素30mLも加えると、150mL中に124mLで、124÷150×100＝約82.7％です。
等しい体積なら割合の平均でも求められますが、体積が違う試料をまとめるときは単純平均できません。必ず一度、各試料の酸素をmLへ戻す方法なら、試料の量が変わっても対応できます。集める量を増やしたことで、全体の純度が下がる場合がある点も読み取りましょう。
「最初の何mLを捨てれば十分」とは一般化しない
例題1では空気と酸素が混ざらないと指定しました。実際の装置では、気体が混ざりながら入れ替わることがあります。装置の空間が30mLだから、30mL出した瞬間から必ず純粋になる、とは言えません。例題2のような測定値があれば、指定された純度を満たす部分を選びます。
実験の説明で「初めに出る気体は集めない」とある場合は、装置内の空気が混じることを避ける操作として読みます。試験管一本分という表現があっても、それが全装置に共通の量だとは考えません。装置の大きさ、発生の仕方、必要な純度によって条件が変わります。
水に溶ける損失とは別に考える
水上置換で集められるかどうかは、水への溶けやすさにも関係します。今回は溶解、水蒸気、漏れ、温度・圧力の変化を無視した計算です。気体が水に多く溶ければ、装置から出た量の全部はびんに残りません。空気の混入を減らす操作と、目的の気体を失わずに集める条件を、同じ対策だと思わないようにしましょう。
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