石灰岩にうすい塩酸をかけると、泡が出てきました。
「塩酸を使ったから、水素だ」
そう答えたくなったら、もう一つ確かめてください。塩酸を、何にかけたのでしょうか。
石灰岩と塩酸の反応で出てくる気体は、二酸化炭素です。
薬品の名前を一つ見ただけで、出てくる気体を決めないことが大切です。
鉄と石灰岩では、出る気体が違う
鉄にうすい塩酸を加えると、水素が発生します。
一方、石灰岩の主成分は炭酸カルシウムです。これが塩酸と反応すると、二酸化炭素が発生します。
同じ塩酸を使っていても、反応する相手が違えば、できるものも違います。
「塩酸→水素」という一組だけで覚えず、「鉄と塩酸」「石灰岩と塩酸」と、組み合わせで整理してください。
泡が出たことと、気体の名前は別
実験を見て、その場で分かるのは「泡が出た」ということです。
見た目が泡だからといって、水素か二酸化炭素かが分かるわけではありません。どちらも無色の気体です。
気体を確かめる実験では、石灰水を白くにごらせる性質など、別の結果も使います。
問題文にある材料と、気体を調べた結果。この二つをつなげて答えましょう。
チャートと比べるときも、反応を見る
石灰岩とチャートを見分ける問題でも、うすい塩酸が登場します。
基本的な比較では、石灰岩は二酸化炭素の泡を出し、チャートは同じ反応を示しません。
色だけで決めず、性質の違いを使って見分けるのです。
ただし、現実の岩石にはいろいろな成分が混ざります。「塩酸で泡が出る岩石は、世界中ですべて石灰岩」とまで広げてはいけません。問題で比べている岩石と条件を確かめてください。
塩酸を使う実験は先生の管理のもとで行い、身近な石に自己判断で薬品をかけて調べないようにしましょう。
地学と化学を、別々に覚えない
地層の問題では「石灰岩」、気体の発生の問題では「石灰石」という言葉を見ることがあります。
中学受験の基本問題では、どちらも主成分の炭酸カルシウムと塩酸の反応につなげて考えます。
地学で覚えた岩石の性質が、化学の気体の実験でも使える。単元が変わったからといって、知識を切り離さないでください。
最後に、一問だけ
鉄と石灰岩に、それぞれうすい塩酸を加えました。
「どちらも泡が出たので、同じ気体が発生した」
この説明は正しいでしょうか。
正しくありません。鉄では水素、石灰岩では二酸化炭素が発生します。
同じだったのは「泡が出た」という見た目。違ったのは、反応した物質と、発生した気体です。
実験の結果を比べるときは、同じところだけでなく、違う条件にも目を向けてください。
あわせて読みたい
参考資料
ろうそくの火が消えたら酸素はゼロ？｜燃焼の実験で区別したいこと
編集補足：反応する組み合わせと、発生量を別々に調べる
ここからは、石灰岩と塩酸の反応を数量へつなげる自作例題です。反応実験の実施は先生の管理する条件に従い、ここでは与えられた資料を読みます。数値は計算用であり、石灰岩ならいつでも同じ質量から同じ体積が出るという実測値ではありません。
自然の岩石には成分の違いがあります。基本問題では、純粋な炭酸カルシウムとして扱う場合と、不純物が混じる場合のどちらかを先に確かめます。同じ「石灰岩」という名前だけで、反応する物質の量まで等しいと決めないことが大切です。
例題1：両方の材料が十分にあるか
ある条件では、炭酸カルシウム1gから二酸化炭素240mLが発生すると与えられました。同じ温度・圧力で体積を比べ、炭酸カルシウムを3g使います。塩酸が十分にあり、すべて反応した場合、発生する気体は何mLですか。
720mLです。 反応する炭酸カルシウムが3倍なので、240×3＝720mLです。気体の名前は二酸化炭素で、塩酸が登場したから水素へ変わるわけではありません。
ここでの比例は、塩酸が十分で、炭酸カルシウムが全量反応する条件があるから使えます。また、気体の体積は温度や圧力に影響されるため、比較する条件もそろえています。これらの限定を外した場面へ720mLという結果を移さないようにします。
例題2：石灰岩を増やしたのに気体が増えない
同じ濃さ・同じ量の塩酸を使い、純粋な炭酸カルシウムの量だけを増やした記録です。十分に反応を進めると、2gでも3gでも気体は480mLでした。3gの場合には固体が残りました。「固体が残ったので、その固体はチャートだ」と判断できますか。
判断できません。塩酸が先に使われ、炭酸カルシウムが未反応で残った可能性があります。 この設定では最初から純粋な炭酸カルシウムを使っています。固体が残ったという観察だけで、物質名を別の岩石へ変えてしまわないようにします。
例題1の関係なら、480mLは2gが反応した量に相当します。3gのうち反応したのが2gなら、1gが残ると整理できます。泡が出なくなった理由を「反応できる固体がなくなった」と一方に決めず、塩酸側が不足する場合も考えます。
グラフが横ばいになったら、使い切った側を探す
横軸が固体の量、縦軸が発生気体の量で、途中から横ばいになる図を考えます。そのとき、固体を増やしても反応に使える塩酸が増えていないことを確かめます。両方を同時に増やした実験なら、同じ説明をそのまま当てはめられません。
グラフの折れ曲がりは、物質の性質が突然変わったという意味ではなく、反応の量を制限する側が変わったことを表す場合があります。軸の意味と、一定にした材料の量をセットで読みましょう。
気体を確かめる結果と、固体を分類する結果
石灰水が白くにごった資料は二酸化炭素の確認につながります。一方で、それだけから元の固体の地質学的な種類まで一つに決められるとは限りません。炭酸カルシウムを含む別の試料もあるからです。入試では、候補として何が与えられているかが判断の範囲を決めます。
石灰岩とチャートの二つから選ぶ問題なら、基本的な塩酸への反応の違いが手掛かりになります。候補が示されていない未知の試料の話へ、その二択の答えを広げないようにします。
岩石の名前、反応相手、出る気体、反応しきった量。この四つを一列に整理すれば、地学の分類と化学の計算が同じ資料の中に出ても、何を問われているかを見分けやすくなります。