金属を加え続けても、気体の量が増えなくなることがあります。このとき「金属が全部なくなった」とは限りません。反応には相手の薬品も必要なので、そちらを使い切れば金属は残ります。中学入試の気体発生の計算は、増える区間と増えない区間を分けると、反応の中身が見えてきます。
ここではマグネシウムと塩酸の反応で、水素が発生する資料を読みます。金属の種類が変われば、同じ質量から出る気体量や反応の様子は変わります。本文の数値は計算用の模型条件で、実際の実験値を再現したものではありません。
横軸が金属量か、時間かを先に読む
横ばいの線でも、横軸が時間なら「その装置で時間がたっても気体が増えない」という結果です。横軸が加えた金属量なら「同じ量の塩酸に金属を多くしても、最終的な気体量が増えない」という比較です。この二つを同じ意味で読まないようにしましょう。
今回は、同じ濃さ・同じ体積の塩酸を別々の容器に用意し、金属量だけを変え、十分な時間を置いた結果を考えます。気体を量る温度と圧力もそろえます。時間が短かっただけの結果や、温度が違って体積が変わった結果を、薬品の不足と混同しないための条件です。
斜めの区間では、金属を使い切る
塩酸が十分にある間は、加えた金属はすべて反応できます。同じ種類の金属なら、反応した質量が二倍になれば、発生する水素の量も二倍になります。ここで比例するのは「加えた量」ではなく、本来は「反応した量」です。少ない区間では二つが等しいため、その違いが表に出ません。
加える量を増やし続けると、塩酸が足りなくなります。それ以上金属を入れても、反応する量には上限があります。余った金属を増やしても水素は増えないので、グラフは横ばいになります。線の折れ曲がりに対応する金属量が、その塩酸で反応できる最大の量です。
例題1：残る金属量を求める
同じ塩酸を20mLずつ用意し、マグネシウムを加えました。0.10gでは100mL、0.20gでは200mL、0.30gでは300mLの水素が発生し、0.40gでも0.50gでも300mLでした。この模型では、0.50g加えたとき何gの金属が残りますか。また、0.25gなら水素は何mLですか。
答え・解説： 塩酸20mLで反応できる金属は0.30gです。0.50gのうち0.30gが使われるので、0.20g残ります。0.25gは上限より少なく、すべて反応します。0.10gあたり100mLという比例から250mLです。0.50gをそのまま比例させた500mLは、塩酸の上限を無視した答えです。
この資料をノートへ写すなら、加えた量の下に反応した量、さらに余った量を書く三段の表にしてみてください。0.40gと0.50gの列では、反応した量はどちらも0.30gでそろいます。気体量が同じ理由が数字で説明できます。
例題2：塩酸だけ二倍にする
例題1と同じ濃さの塩酸を40mL使い、マグネシウム0.50gを加えました。反応できる金属量、実際に出る水素の体積、反応後に残る金属量を求めましょう。
答え・解説： 同じ濃さの塩酸が二倍なので、反応できる金属量は0.30×2＝0.60gです。しかし実際に入れた金属は0.50gしかありません。金属はすべて反応し、水素は500mL、残る金属は0gです。最大600mLまで出せる塩酸があっても、相手が足りなければ600mLには達しません。
「塩酸が二倍だから気体も二倍」と考える前に、もう片方が十分あるかを確かめます。今度は塩酸が余り、金属が先になくなっています。同じ材料の組み合わせでも、どちらが限界を決めるかは量によって交代するのです。
グラフを右へ延ばす前に
比例区間だけを見て、その直線をどこまでも延長することはできません。逆に、横ばいだから金属と塩酸が反応しないと決めるのも違います。すでに一定量の反応が終わり、残りには相手が足りないという状況を考えます。
塩酸に水だけを加えて薄めた場合も注意が必要です。溶けている塩化水素の総量を変えず、十分に反応させる条件なら、反応できる金属の上限は変わりません。ただし進む速さは変わり得ます。濃さ、液体の体積、薬品の総量、発生速度を別の欄で整理すると、見た目の液量だけに引っ張られなくなります。
気体を集めた後の金属を調べる結果も、グラフと照合できます。十分に洗浄して乾かした残りが0.20gであれば、最初の0.50gとの差が反応量です。ただし水滴や付着物を含む質量では、そのまま金属だけの残量にはできません。何を量った値かを確認してから、気体量から求めた値と比べます。
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