発生させた気体を導管で集めるとき、最初に出てきた気体がすべて目的の気体とは限りません。実験を始める前から、管や容器には空気が入っているからです。発生量と採取した目的気体の量を比べるには、装置の中に残った分も数えます。
ここでは管の内部が二十mLで、初めは空気だけが入っている模型を考えます。新しく入った気体が古い空気を順番に押し出し、途中で混ざらないと指定します。温度と圧力は同じ、気体は水へ溶けず、漏れや反応もない条件です。実物では混合が起こるため、初めの空気が一瞬で完全に切り替わるとは限りません。
発生した場所と出口を分ける
目的気体が十mL発生して管へ入った時点では、出口から押し出されたのは空気十mLです。目的気体はまだ管の中にあります。さらに十mL入ると、初めの空気二十mLがすべて押し出され、管全体が目的気体になります。この模型ではその後に目的気体が出口へ出始めます。
発生装置で生まれた瞬間と、採取容器へ到着した瞬間にはずれがあります。出発点と出口を一本の矢印で結ぶだけでなく、途中の二十mLを箱として描くと、行き先を追えます。採取容器だけを見て量が少ないから反応が弱かった、と決めるのは早計です。
全体と目的成分の二つの帳尻
目的気体五十mLが発生すれば、同じ温度・圧力で管の体積が変わらない模型では、出口から合計五十mLが押し出されます。ただし、その内訳は空気二十mLと目的気体三十mLです。目的気体の残り二十mLは管に残っています。
合計の気体体積が合っていることと、目的成分だけの量が合っていることは別です。目的気体については「発生五十＝採取三十＋管内二十」と整理できます。最初からあった空気を、反応で新しくできた気体へ数え入れないことが中心になります。
例題1 初めの五十mLの内訳
管の内部二十mLに空気があり、目的気体を五十mL発生させました。押し出された気体を最初から全部集めます。採取容器の目的気体の体積と、採取した気体全体に占める割合を求めてください。
答え・解説： 初めの二十mLは空気なので、目的気体は五十－二十＝三十mLです。採取容器の全体五十mLに対して三十÷五十＝六〇％です。五十mL全部が目的気体という答えでは、管に残った目的気体と初めの空気の交換を見落としています。
例題2 目的気体を八十mL集める
同じ模型で、初めに押し出される二十mLは別の容器へ分け、その後の目的気体を八十mL集めたいとします。目的気体を合計何mL発生させる必要がありますか。
答え・解説： 管を目的気体で満たす二十mLと、採取する八十mLを合わせ、百mLです。初めに分ける二十mLそのものは空気ですが、それを押し出すために目的気体二十mLが管へ入っています。管に残る量を忘れずに足します。
管が長い場合と発生速度の違い
管の体積が大きくなれば、同じ発生量でも採取先へ届く目的気体は少なくなります。一方、管の体積が同じで発生速度だけが変わるなら、空気を押し出すための必要体積はこの模型では同じです。必要な時間は変わります。毎秒五mLなら二十mLを置き換える時間は四秒です。
実際の装置で、その四秒後から必ず純粋な気体になると保証することはできません。模型が除いた混ざりや滞留、溶解などがあるためです。教材の指定条件から求めた値と、実物の採取条件の確認は別に扱います。危険な気体を発生させたり、においで判定したりする手順はここでは扱いません。
装置図を見たら初めの中身を書く
管だけでなく、栓の下の空間や接続部分の容積が与えられることもあります。どこまでが初めに空気で満たされ、どこから採取するかを囲んでください。問題が指定していない装置のすき間の大きさを想像して足す必要はありません。示された範囲で、最初と最後の中身を対応させることが大切です。
捕集しなかった量も収支表に残す
最初の空気20 mLを集めず、その後に目的の気体を80 mL集める場合、発生させた気体は100 mLです。100のうち80は捕集容器へ届き、20は最後にも管内に残っています。最初に外へ出た20は、発生した目的気体ではなく、もともと管にあった空気です。二種類の気体を別の色で追わないと、100にさらに20を足す二重計上が起こります。
初めと終わりの管内の全体積は同じ20 mLです。変わったのは中身です。空気が外へ押し出され、その場所を新しい気体が占めます。管の容積を無視して「発生した量は必ず全部集まる」とする方法と、管の容積を何回も引く方法のどちらも適切ではありません。最初と最後にどこにあるかを確認するのが確実です。
この模型では空気と目的気体の境界がはっきり動きますが、実物では分子が混ざり、途中から両方を含む気体が出ることがあります。そのため20 mLを除けば必ず純粋になる、と実験手順へ読み替えないでください。装置の形や混合の程度、必要な純度で条件が変わります。図は体積収支を学ぶための理想化です。
集めた気体の成分を確かめる検査と、何mL集めたかという測定も別々です。容器が満ちたことだけでは目的気体の純度は分かりません。水上置換、管の初期空気、装置からの漏れなど、どの条件が考慮されている資料かを読み、与えられた条件に対応する量だけを足し引きしましょう。
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