中学受験理科｜鉄に銅がつく反応の重さ｜増えた分が銅の重さとは限らない

鉄を硫酸銅の水溶液に入れると、条件によって鉄の表面に銅が現れます。このとき、鉄の表面に銅だけが外から追加されているのでしょうか。実際には、鉄の一部が水溶液側へ移る一方で、水溶液にあった銅の成分が金属の銅になります。最後の固体の重さには、「減った鉄」と「増えた銅」の両方が含まれます。

中学入試の資料問題として考えるなら、反応式を暗記する前に、固体の出入りを二本の矢印で書くのが出発点です。固体が0.2g重くなったという結果だけから、銅が0.2gついたとはいえません。減った分を埋め合わせた上で、さらに0.2g増えた可能性があるからです。

赤茶色になっても、中まで銅ではない

反応後に赤茶色の金属が見えても、鉄全部が銅へ変身したわけではありません。未反応の鉄が残り、その表面などに銅が析出している場合があります。銅はもとの水溶液に由来し、鉄は水溶液中に移っています。「見える部分の色」と「全体をつくる物質」を分けてください。

実験では銅がはがれたり、別の固体が混じったりすることもあり、何を集めて量ったかが重要です。ここでは、鉄と銅だけが反応に関わり、失われた固体や付着した水分がない計算模型を用います。実物の表面が常に均一な膜になるという説明ではありません。

例題1。鉄と銅の重さの比7：8を用いた計算模型。全固体を乾燥して回収する条件です。

以下の例では、溶けた鉄と生じた銅の重さの比を7：8と指定します。これは計算しやすく丸めた比であり、精密な測定値ではありません。「鉄が7g減る間に銅が8g生じる」と読み替えると、回収した固体全体は差の1gだけ増えます。

したがって、増加量を1としたとき、溶けた鉄は7、生じた銅は8です。銅8に対して増加分が1になることを、図の箱でも確かめましょう。比の8をそのまま全体の増加量と結び付けると、減った鉄を計算から消してしまいます。

なお、どの金属の組み合わせでも同じ反応や比になるわけではありません。逆に銅を鉄の塩の水溶液へ入れれば同じように鉄が現れる、と対称に扱わないことも大切です。初めて見る反応なら、問題の説明に書かれた変化と対応量を使います。

鉄5.00gを用いた実験模型で、反応後の未反応の鉄と生じた銅をすべて乾かして集めると5.16gになりました。溶けた鉄：生じた銅＝7：8で、ほかの変化はありません。溶けた鉄、生じた銅、残った鉄はそれぞれ何gですか。

答え・解説： 溶けた鉄は1.12g、銅は1.28g、残った鉄は3.88gです。全体の増加は0.16gで、比の8−7＝1に対応します。0.16×7＝1.12g、0.16×8＝1.28g。最初の5.00gから1.12gを引けば3.88gです。

検算では3.88＋1.28＝5.16gとなります。もし銅を0.16gと答えたなら、溶けた鉄があったにもかかわらず、その重さが全く引かれていないことになります。「最後＝最初−出た量＋入った量」の順に戻せば、間違えた場所を見つけられます。

固体が増えても、容器全体の重さが増えるわけではありません。固体側へ移った銅と、水溶液側へ移った鉄を合わせれば、系の外へ物質が出入りしない限り、全体の重さは保たれます。固体が0.16g増えた例では、水溶液側は0.16g減る関係です。

酸化の実験で空気から酸素を取り込む場合とは、相手の物質があった場所が違います。今回は、同じ容器の中で固体と液体の間を物質が移る模型です。何でも「酸素が結び付いたから重くなった」と書かず、問題に示された反応相手を確かめましょう。

鉄5.00gのうち1.40gが溶け、同じ7：8の比で銅が生じました。ただし、生じた銅の4分の1は回収できず、残った鉄はすべて回収しました。回収した乾いた固体は何gですか。最初の鉄より軽くなったことから、銅が生じなかったといえますか。

答え・解説： 回収量は4.80gです。生じた銅は1.40×8÷7＝1.60g。その4分の3の1.20gを回収し、残る鉄3.60gと足すと4.80gです。銅は生じていますが、その一部が測定対象から外れたので、回収固体は最初より軽くなりました。

ここで1.60g全部を加えると、測っていない銅まで秤に載せたことになります。反応で「生じた量」と操作後に「回収した量」は区別します。結果の重さだけで化学変化の有無を決める前に、回収の条件を確かめてください。

表面の色、固体の重さ、水溶液の変化は、それぞれ別の手掛かりです。入試では、見た目を一言で説明して終わらず、増減を生む二つの移動を書き分けると、見慣れない反応の計算にも筋道が通ります。