過酸化水素水から酸素が出る実験で、酸素の量から元の液の濃さを求めることがあります。このとき、液全体が酸素になるわけではありません。過酸化水素水は、水に過酸化水素が溶けた液です。過酸化水素が分解して水と酸素になり、初めからあった水は液側に残ります。
先に「過酸化水素」「初めからある水」「新しくできる水」「外へ出る酸素」を書き分けましょう。液の減った重さを過酸化水素の重さと同じにしてしまうのが、ここで直したい誤りです。この記事の数字は質量の関係を考えるためのオリジナル例題で、家庭で実験する手順ではありません。
使う質量比は、問題文から受け取る
完全に分解するとき、過酸化水素34gから水18gと酸素16gができるものとします。34＝18＋16で、反応の前後の重さはそろいます。これは純粋な過酸化水素の量についての関係です。「過酸化水素水34gから酸素16g」と読み替えてはいけません。
濃度は、液全体の重さに対する過酸化水素の重さの割合です。例えば3.4％の液100gなら、過酸化水素は3.4g、初めから含まれる水は96.6gです。反応前に二つへ分けておくと、反応後に液がどこから生まれたかまでたどれます。
例題1｜液100gから出る酸素と、残る液
濃度3.4％の過酸化水素水100g中の過酸化水素が、すべて分解しました。生じる酸素は何gですか。また、水の蒸発や飛び散りがなく、酸素だけがすべて外へ出たとき、残る水は何gですか。反応を速める物質の重さは計算に含めません。
答え・解説： 過酸化水素は100×3.4÷100＝3.4gです。与えた34gの10分の1なので、酸素は1.6g、新しくできる水は1.8gです。最初の水96.6gと合わせ、残る水は98.4gです。全体100gから酸素1.6gを引いても同じ値になります。
ここで100−3.4＝96.6gを残液の答えにすると、分解によって新しく生じた水を落としています。過酸化水素がなくなることと、その重さ全部が気体として外へ出ることは違います。酸素と水への二本の矢印を描くと、抜けている行き先が見つかります。
例題2｜失われた重さから濃度を戻す
濃さの分からない過酸化水素水50gを、同じ条件で完全に分解しました。酸素だけが外へ出て、重さは0.8g減りました。元の過酸化水素水の濃度と、反応後に残る水の重さを求めてください。
答え・解説： 酸素0.8gは基準の16gの20分の1です。元の過酸化水素は34÷20＝1.7gなので、濃度は1.7÷50×100＝3.4％。残る水は50−0.8＝49.2gです。
別の内訳で見ると、初めからあった水は50−1.7＝48.3g。分解でできる水は18÷20＝0.9gです。48.3＋0.9＝49.2gと確かめられます。0.8÷50×100＝1.6％は、酸素として出た重さの割合であって、過酸化水素の濃度ではありません。
泡の出方だけで、濃度を決めない
酸素が速く出るかどうかは、液の濃さだけでなく温度や触媒などの条件にも左右されます。勢いよく泡が出たから濃い、と一つの観察で結論を出さないようにします。今回の計算で使うのは、反応が終わるまでに生じた酸素の総量です。
途中までしか分解していないのに、集まった酸素から全量を逆算すると、元の過酸化水素を少なく見積もります。「完全に分解」と書かれた条件は、計算の飾りではありません。一定時間だけ測定した実験なら、反応の速さを比べているのか、最後の量を比べているのかを確かめてください。
酸素だけが減ったと言える条件を点検する
実際の装置で液が蒸発したり、泡とともに飛び散ったりすると、減った重さの全部を酸素とはできません。また、触媒を途中で加えてから装置全体を量るなら、加えた分を帳簿に入れます。反応前後で何を量りに載せたかが違えば、単純な差にはなりません。
酸素の体積がmLで与えられた問題では、今回のgの比へ直接入れられません。その温度・圧力で酸素何mLが何gかという換算条件が必要です。数値の大きさだけで割り算を選ばず、質量の比較か体積の比較かを先に読む。この習慣が、気体の計算を安定させます。
同じ濃度の液なら、試料を二倍の重さにすれば、完全分解で得られる酸素の重さも二倍になります。ただし濃度の値自体は二倍になりません。過酸化水素と溶媒の水が同じ割合で増えるためです。液量を変えた二つの実験を比べるときは、酸素の総量だけでなく、液1g当たりの酸素量へ直せば濃度の比較につながります。
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