鉄の粉と硫黄の粉を混ぜただけのものと、十分に反応させてできた硫化鉄は、同じではありません。混ぜた段階では鉄と硫黄がそれぞれ残っています。化学反応が進むと、鉄と硫黄が結びついた別の物質ができます。見た目の色が混ざったことと、物質の種類が変わったことを区別しましょう。
この題材は学校の管理された実験や資料を読み解くためのものです。加熱で強く発熱し、薬品の扱いにも注意が必要なので、家庭で再現する手順は紹介しません。ここでは実験記録を使い、何が反応したか、何が残ったかを考えます。
中学入試に向けて、反応の質量比は問題で与えられた条件を使います。化学式を覚えることより、どちらが使い切られるかを確かめます。
「見えなくなった」だけでは決められない
鉄粉の一粒と硫黄の一粒を近づけても、置いた瞬間に全体が硫化鉄へ変わるわけではありません。反応前の混合物には、磁石へ引かれる鉄の性質が残っています。資料では、このような性質を手がかりに、混ぜた状態と反応後の状態を比べます。
大切なのは、目で粒を見分けられるかだけで判断しないことです。細かく混ぜれば見分けにくくなりますが、それだけで化合したことにはなりません。食塩が水に溶けて見えなくなる場合にも、見え方の変化と物質の変化を分けて考えました。今回も、観察方法を一つ増やして判断します。
図では、鉄を表す丸と硫黄を表す丸が、反応前には別々、反応後には組になっています。実物の粒の形を描いた図ではなく、物質の組み合わせを説明する模型です。丸が二個合わさったので質量が二倍、とは読みません。異なる種類の丸が、同じ質量を表しているわけではないからです。
余りがあれば、生成物だけとは限らない
学校で扱う理想化した反応では、鉄と硫黄が7：4の質量比で反応して硫化鉄になるものとして計算できます。鉄7gと硫黄4gなら、全部反応して硫化鉄11gです。この比は「体積の比」や「粉の粒数の比」ではありません。必ずgの欄と結びつけて使います。
鉄を多く入れると、反応できる硫黄がなくなったところで鉄が余ります。反応後の固体に磁石へ引かれる部分があっても、それだけで「反応は全く起きなかった」とは決められません。できた硫化鉄と余った鉄が一緒に入っている場合があるためです。逆に、加熱した事実だけで全量の反応完了も保証できません。
例題1 鉄を多くしたとき
鉄14gと硫黄4gを反応させます。鉄と硫黄は7：4の質量比で反応し、反応できる分はすべて反応しました。物質が装置の外へ出ず、ほかの物質との反応もないものとします。①できる硫化鉄、②余る物質とその質量、③反応後の固体全体の質量を求めてください。
答え・解説：硫黄4gと反応する鉄は7gです。硫化鉄は7＋4＝11g、余る鉄は14－7＝7gとなります。固体全体は11＋7＝18gです。「反応後18g」と「硫化鉄18g」は違います。前者は余った鉄も含む、後者は生成物だけの名前です。
最初に14＋4を計算しても、全体の質量を知ることはできます。しかし、その18gが何でできているかはまだ分かりません。量を合計する操作と、反応する組み合わせをそろえる操作を別に進める必要があります。表なら「使う鉄」「使う硫黄」「できたもの」「余り」の四つに分けると整理できます。
例題2 硫黄を多くしたとき
同じ反応条件で、鉄10.5gと硫黄8gを用意しました。反応できる分がすべて反応した後、硫化鉄は何gでき、何が何g余りますか。さらに、余りがないようにするには、最初の硫黄8gに対して鉄を合計何g用意すればよいでしょう。
答え・解説：鉄10.5gは7gの1.5倍なので、使う硫黄は4×1.5＝6gです。硫化鉄は10.5＋6＝16.5g、硫黄の余りは8－6＝2gです。硫黄8gを全部反応させたいなら、鉄は7×8÷4＝14g必要になります。10.5gに追加する量を問うなら3.5gですが、今回は合計なので14gが答えです。
このように、同じ計算の最後でも「全部で」と「あと何g」の問い方で答えが変わります。反応比を使えたところで安心せず、求める量の言葉へ戻ってください。図の鉄の欄に14g、そこへ増やす部分に3.5gと書くと、二つの数値の役割を分けられます。
質量が同じでも、性質は変わる
物質が外へ出入りしない条件では、反応前後の全体の質量は変わりません。それでも、できた物質の性質は元の物質と同じとは限りません。「重さが同じなら変化していない」という説明は、質量と性質を一緒にしてしまっています。
入試の資料では、反応の名前を知らなくても、質量の表と観察結果から考えられる設定があります。まず、何と何が一定の割合で使われるかを読み、その次に余りを計算する。最後に、検査結果が生成物の性質なのか、残った材料の性質なのかを検討する。この流れで読めば、粉を混ぜた写真が黒く見えるかどうかだけに頼らず説明できます。