「最初に出てきた気体は集めない」
実験の注意点として覚えている人は多いと思います。では、なぜ集めないのでしょうか。
「不純物が混じっているから」
間違いとはいえませんが、もう少し具体的にしましょう。何が、どこから混じってきたのでしょうか。
実験を始める前、試験管やフラスコ、気体を通す管の中には空気があります。気体が発生すると、その空気も押し出されてきます。最初に出てくる気体には、もともと装置の中にあった空気が混じっているのです。
図の白いところは「何もない」ではありません
薬品の入った容器から、管を通して気体を集める装置を考えます。
実験の図には、薬品や水は描かれています。でも、その上の空間には何も描かれていないことがあります。
ここを「何も入っていない」と見ないでください。ふつう、そこには空気が入っています。
気体が発生する前と、発生し始めたあと。この二つを分けて考えましょう。
発生した気体は、もともとの空気がある空間へ入ってきます。そのため、管の先から出てくるものが、最初からすべて目的の気体になるわけではありません。
「発生した気体」と「集まった気体」は同じとは限らない
酸素を発生させる実験なら、反応によってできるのは酸素です。
しかし、それだけで「最初に集まった気体も、ほぼ酸素だけ」とはいえません。装置の中にあった空気が混じるからです。
ここは、言葉を分けると整理できます。
- 発生した気体：反応などによって新しく出てきた気体
- 集まった気体：装置を通って、集気びんなどに入った気体
何を発生させたかだけでなく、途中で何と混じったかも考えます。
「酸素をつくる実験だから、びんの中は酸素」。このように、実験の名前だけで中身を決めないようにしましょう。
集気びんを水で満たしても、装置の空気は残ります
水上置換法では、集気びんを水で満たしてから気体を集めます。
それなら、初めから集めてもよいのでしょうか。
集気びんの中の空気を追い出すことと、気体を発生させる容器や管の中の空気を追い出すことは、別です。
びんを水で満たしても、発生装置の中にあった空気までなくなるわけではありません。
「水で満たしたのは、どの部分か」
図を指しながら確かめてください。実験操作の理由は、装置の場所と結び付けると分かりやすくなります。
答えには「どこの空気か」まで書こう
最初に出てきた気体を使わない理由を聞かれたら、例えばこう説明できます。
装置の中にもともとあった空気が混じっており、集めたい気体の性質を正しく調べにくくなるから。
「空気が混じるから」でも要点はあります。ただ、どこの空気かまで説明できれば、装置の図と答えがつながっています。
一方で、「最初には酸素が全く含まれていない」と言い切る必要はありません。大切なのは、目的の気体だけが出てくるとは限らない、ということです。
最後に、一つ確かめよう
「集気びんは水でいっぱいにしたので、最初に出てきた気体もそのまま使える」
この説明の、どこを直せばよいでしょうか。
集気びんとは別に、気体を発生させる容器や管の中にも空気があります。その空気が押し出されて混じることを考えなくてはいけません。
実験の注意点を覚えるときは、「そうする決まりだから」で終わらせず、操作の前後で何が変わるのかを確かめましょう。
今回なら、最初に装置の中にあったものは何か。それが、どこへ動くのか。
そこまでたどれれば、注意点が理由のある操作としてつながります。
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編集補足：集気びんに入るまでの空間も、気体の通り道
ここからは、最初に出る気体の混ざり方を図で考える自作例題です。発生容器、導管、集気びんを三つの場所として分けます。反応が起こる場所だけに注目すると、途中にあった空気を見落としやすくなります。
図に薬品が描かれていない白い空間があっても、通常の実験開始前なら空気が入っています。「空間がある」と「真空である」は同じではありません。装置を組む前に何か特別な操作をしたのかという記述がなければ、空気を初めから消して考えないようにします。
例題1：長い管へ替えると、残る空気は？
発生容器は同じまま、導管をAからBへ替えました。両方とも実験前は空気で満たされ、BはAより管内の体積が大きいとします。「反応する薬品が同じなので、装置内にもともとある空気の量も同じ」と言えますか。
同じとは言えません。Bの方が、導管に入っている空気の体積が大きくなります。 薬品の種類や量は、管の中の空間を決める情報ではありません。発生容器の空間が同じでも、その先の導管に違いがあります。
ただし、管が長ければ必ず何秒余計に待てばよい、とこの条件だけでは計算できません。気体の発生する速さや混ざり方などが必要です。初めの空気が多いという比較と、純度が十分になる時刻を決めることは分けてください。
例題2：最初の50mLを、全部酸素と呼べる？
説明用のモデルとして、最初に集まった50mLの内訳が、もとの空気20mLと新しく発生した酸素30mLだと分かっています。体積は同じ温度・圧力で考えます。この50mLを純粋な酸素と言えますか。また「空気20mLには酸素がない」としてよいですか。
純粋な酸素とは言えず、もとの空気にも酸素は含まれます。 集まった中には、空気に含まれる窒素なども混ざっています。発生した酸素30mLだけを数えて、残り20mLを酸素ゼロの気体として扱うのも誤りです。
このモデルの内訳は、量の意味を区別するために与えた設定で、実際の装置から一定量ずつ順に出ることを保証するものではありません。現実には途中で混ざるため、「この体積を捨てれば必ず純粋」という操作量を、この例題から決めないでください。
反応の生成物と、試料の中身は別の問い
薬品の反応式や実験名から答えられるのは、何が発生するかという問いです。集気びんの中身について答えるには、それまでに通った場所、最初に入っていたもの、集めた時期も必要になります。生成物が同じ二つの実験でも、集め方の条件が違えば試料は同じとは限りません。
性質を調べた結果が予想と違ったときも、薬品が違ったとすぐに決めるのではなく、空気の混入など装置側の条件を検討します。もちろん、混入を確認する資料がなければ、それを確定した原因として書くこともできません。
水を満たした場所を、図の中で囲む
集気びんを水で満たすことは、そのびんに最初からある空気を追い出す操作です。発生容器や導管の内部まで、同時に水で満たしたという意味ではありません。操作した場所を囲み、その外側に残る空間も見てください。
図を塗り分けるなら、実験開始前の空気を一色、後からできる気体を別の色にします。色の境目がいつもはっきりしたまま押し出されると考えるのではなく、実際には混ざり得ることも添えます。模式図で省いた条件を、現物の性質と取り違えないようにしましょう。
実際の採集では、気体に応じた安全な実験手順に従います。においを直接かぐなど、混ざり具合を自分の感覚で判定する方法へ置き換えません。答案では「最初には何があったか」「どこを通ったか」「どの時点で集めたか」を順に説明すると、注意事項が理由のある操作になります。