中学受験理科｜石灰の循環で重さはどう変わる？｜出入りする水と二酸化炭素

石灰石を強く加熱すると二酸化炭素が出て、生石灰が残ります。そこへ水を反応させると消石灰になり、さらに二酸化炭素と反応すると炭酸カルシウムへ戻ります。このつながりを石灰の循環と呼びます。ただし、物質が循環することは、重さや熱が勝手に増えたり、何も入れずに何度も使えたりするという意味ではありません。

三つの矢印に出入りするものを書く

石灰石の主成分である炭酸カルシウムを出発点にします。加熱して生石灰へ変わる矢印には「二酸化炭素が出る」、生石灰から消石灰への矢印には「水が入る」、消石灰から炭酸カルシウムへの矢印には「二酸化炭素が入り、水ができる」と書きます。

名称が似ていても、石灰石、生石灰、消石灰は同じ物ではありません。順番を覚えるだけでなく、どの段階の固体を量っているかを特定しましょう。石灰水は消石灰を溶かした水溶液なので、乾いた消石灰の重さと、石灰水全体の重さも区別する必要があります。

図：酸による石灰岩反応と区別し、焼成・水和・炭酸化をつなぐ。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

石灰を使った材料では、空気中の二酸化炭素を取り込んで炭酸カルシウムになる変化が利用されます。表面の水が蒸発する変化と、二酸化炭素を取り込む化学変化は同時に起こり得ます。「乾いたから軽くなる」だけでは、乾燥後の固体の重さを説明しきれません。

もちろん、建築材料は石灰だけでできているとは限りません。砂やほかの結合材を含む材料の全体を、この循環だけで説明するのは無理があります。以下は純粋な物質が完全に反応する、計算のための模型です。反応割合を問題文で与え、工事の配合や家庭での実験方法として扱いません。

炭酸カルシウム100gを完全に加熱すると、生石灰56gと二酸化炭素44gになります。また、生石灰56gは水18gとちょうど反応して消石灰74gになります。この関係を用いて、炭酸カルシウム25gからできる生石灰と、必要な水の重さを求めなさい。

答え・解説： 出発量は100gの4分の1なので、生石灰は56÷4＝14g、水は18÷4＝4.5gです。消石灰は14＋4.5＝18.5gになります。加熱前の25gに水4.5gを足して29.5gとするのは、途中で出た二酸化炭素11gを固体に残して数えた誤りです。

消石灰74gは二酸化炭素44gと反応し、炭酸カルシウム100gと水18gを生じます。乾いた消石灰14.8gを完全に反応させ、できた水をすべて取り除きました。乾いた固体は何gになり、初めより何g増えますか。

答え・解説： 14.8gは74gの5分の1です。炭酸カルシウムは100÷5＝20g、固体の増加は20−14.8＝5.2gです。取り込んだ二酸化炭素は8.8gですが、水3.6gを外へ出すため、乾いた固体の増加は8.8−3.6＝5.2gになります。

気体を吸収して重くなる問題でも、同時に別の物質が出るなら差し引きが必要です。例題2の固体だけを囲むと、入る8.8gと出る3.6gが見えます。反応する容器全体を囲み、水を逃がさない場合には、重さの扱いが違います。どこを囲んで量ったのかを先に決めるのです。

湿った材料を途中で量る実験では、残る自由な水の量も関係します。昨日より重くなったから二酸化炭素だけを多く吸った、昨日より軽くなったから反応していない、とどちらも即断できません。同じ乾燥条件にそろえた試料を比べる、といった測定方法が必要になります。

最初と最後が炭酸カルシウムでも、途中には加熱や水の出入りがあります。最初の分解には熱を加えなければならず、生石灰と水の反応では熱が発生します。それぞれの段階を飛ばして「ぐるぐる回すだけで熱を取り出せる」と結論することはできません。

工場などの二酸化炭素排出を考えるときも、石灰石から出る分だけでなく、加熱に使う燃料に由来する分などを別に扱います。ここでの例題は物質の重さの関係を調べる問題であり、製造工程全体の環境負荷を計算したものではありません。

答案では「石灰が20g」だけで終わらせず、炭酸カルシウムなのか消石灰なのかを書きます。似た名前の区別ができると、反応前後のどの数を比例計算に入れるかも決まります。物質名を書いた箱を三つ並べ、矢印の横に水と二酸化炭素を書き足す。この準備が、途中の重さを取り違えない一番の助けになります。

実物の石灰石には、炭酸カルシウム以外の物質が含まれる場合があります。たとえば、反応しない砂が混じった試料なら、加熱後の固体には生石灰と砂の両方が残ります。残った重さ全体へ水との反応比を掛けると、砂まで消石灰へ変わる計算になってしまいます。

反応しない成分は、三つの反応の箱とは別に横へ置き、どの段階まで一緒に残るかを追います。沈殿をろ過する操作が途中にあれば、砂と沈殿が同時に捕まる可能性もあります。化学変化の矢印と、物理的に取り分ける矢印を別の種類として描くと見通しがよくなります。

加熱後に完全に冷やしてから量るという条件も、数値を比較するための約束です。熱い物体をそのまま量った記録と混ぜず、例題で指定した乾燥した固体に対応する測定値を選びます。反応の名前を知っていることより、どの箱の中身を天びんへ載せたかを追えることが、複数段階の計算では重要です。