中学受験理科｜水素と酸素の反応後に残る気体｜体積比2対1と冷却の条件

水素と酸素を反応させる計算で、初めの気体を足してから水の量へ直そうとしていませんか。どちらかが余ると、初めの気体全部が反応するわけではありません。水素二つ分と酸素一つ分の組を作り、足りない方で反応の上限を決めます。さらに、反応後の水が液体なのか気体なのかも読み分けます。

2対1は、反応する分の体積比

この記事では、同じ温度・圧力で測った水素と酸素が、体積比2対1で反応して水になると与えます。たとえば水素20mLが反応するには、酸素10mLが必要です。これは最初に入れる量を必ず2対1にしなければならないという意味ではありません。違う比で用意した場合、反応しない余りが残ります。

気体を比べる温度と圧力はそろえます。反応で熱くなった直後の体積と、初めの室温の体積をそのまま引いてはいけません。以下の例題は、反応後に元と同じ測定条件へ戻し、生じた水は液体として気体から分け、水蒸気として残る分は無視できると指定します。実際の水上捕集では水蒸気などの補正が必要な場合があります。

例題1。色付きの余りは水素だけです。帯の幅は気体の体積に比例しています。

水素60mL、酸素20mLなら、水素全部に必要な酸素は30mLです。酸素が足りません。そこで酸素20mLを全部使う方から考え直すと、水素は40mL反応します。残る水素は20mLです。「多い方が余る」とだけ覚えるのも危険で、必要な比に照らして不足する方を判断します。

たとえば水素30mL、酸素20mLでは、体積の大きい水素が全部使われ、酸素が5mL余ります。水素の方が二倍必要なためです。まず水素量の半分と酸素量を比べると、どちらを基準に組を作ればよいかが見えます。比の数字をただ掛けるより、組にできる数を数える意識が役立ちます。

水素60mLと酸素20mLを、完全に反応させる計算上の模型を考えます。水を液体として分けた後、同じ温度・圧力で残る気体の種類と体積を答えてください。水素と酸素の反応体積比は2対1です。

答え・解説： 酸素20mLに対応する水素は40mLです。酸素は使い切られ、水素が60－40＝20mL残ります。反応で気体として数えなくなった量は40＋20＝60mLです。初めの80mLから残り20mLを引いても60mLとなり、一致します。

この60mLを液体の水の体積と書いてはいけません。気体の体積の減少と、できた液体の体積は同じではありません。液体の水の質量や体積を求めるなら、気体の密度や質量の関係など、別の情報が必要です。体積比と質量比の使い分けも、この問題の重要な確認点です。

水素と酸素を合わせて90mL用意しました。反応を終え、水を分け、同条件で測ると酸素が15mL残りました。初めの水素と酸素は、それぞれ何mLですか。

答え・解説： 反応した気体の合計は90－15＝75mLです。その75mLは水素と酸素が2対1、合計3の比です。水素は75×2/3＝50mL、反応した酸素は25mLです。初めの酸素には余った15mLも含まれるので、25＋15＝40mL。初めは水素50mL、酸素40mLです。

75mL全部を水素と考える誤りに注意しましょう。減った量の中には、相手になって反応した酸素も含まれます。また、90mLを初めから2対1に分けると、余りがある条件を落としてしまいます。「反応した組」と「反応せず残った分」の二つの箱を作ると、逆算の順番がはっきりします。

例題2では酸素が残ったと指定しています。もし同じ90mLから気体15mLが残ったとしか書かれていなければ、水素が残る別の内訳も考えられます。反応した75mLの組は同じでも、余り15mLを水素側へ足せば、初めは水素65mL、酸素25mLです。種類の情報が答えを一つに絞っています。

問題文の「水は液体にした」「残ったのは酸素」「同じ温度と圧力」は、計算のための飾りではありません。どの量を比較でき、何が答えとして決まるかを支えています。入試の気体計算は、数字より先にこの条件へ線を引くと見通しがよくなります。

水素と酸素の混合気体への点火は危険です。この記事は反応比を与えた紙上の問題であり、家庭で混合・点火する実験を勧めるものではありません。図の二対一のまとまりを動かしながら、余る側を説明できるようにしましょう。