紙を燃やすと、後には少しの灰が残ります。では、細い鉄を集めたスチールウールを燃やすと、残った固体の重さも減るのでしょうか。
「燃えたら軽くなる」と決める前に、燃えるときに何が加わり、何が出ていくのかを確かめてみましょう。重さの問題では、はかりに載せている範囲が大切です。ここでは、gで表す質量を考えます。
鉄には、酸素が加わる
鉄が燃えると、酸素と結びついて酸化鉄になります。燃える前の鉄だけと比べると、できた固体には酸素の分が加わっています。
燃えたものが飛び散らず、すべて回収できたと考えるなら、燃焼後の固体の質量は、初めの鉄より増えます。「火をつけたから増えた」ではなく、「酸素と結びついたから増えた」と説明してください。
加わった酸素は、もともと周りの気体の中にあったものです。何もないところから、重さが生まれたわけではありません。
固体だけと、全体とを分けて量る
燃える前には鉄だけをはかりに載せ、燃えた後には酸素と結びついた固体を載せる。この比べ方では、酸素が外から加わった分だけ、量る物の質量が増えます。
一方、外と物質の出入りがない容器の中で反応が起こり、容器、鉄、気体をすべて含めて量ると考えてください。鉄と結びつく酸素も、初めから量る範囲の中に入っています。
その場合、固体の質量が増えても、気体の中の酸素はその分だけ減ります。反応の前後で、全体の質量は変わりません。これは仕組みを考えるための比較で、密閉容器で燃焼実験をする手順の案内ではありません。
紙を燃やすと、軽くなるように見える理由
紙の燃焼でも酸素が使われますが、できたものの多くは気体となり、周りへ出ていきます。残った灰だけを量っても、燃焼後にできたもの全部を量ったことにはなりません。
鉄では酸素が固体に加わる。紙では、できた気体が量る範囲から出ていく。見えている固体だけで比べると結果が違うのは、出入りする物が違うからです。
「燃えると増える」「燃えると減る」という一文だけで覚えず、問題の図で、どこまでを量っているか囲んでみてください。気体も物質です。見えないからといって、計算から外すことはできません。
最後に、一問だけ
燃える前の鉄の質量が2.1g、燃焼後に回収した固体の質量が2.9gでした。鉄やできた固体は失われず、酸素が結びつく以外の変化はなかったものとします。結びついた酸素は何gでしょうか。
増えた分を求めて、2.9−2.1＝0.8gです。2.9gは酸素だけの質量ではなく、もとの鉄と結びついた酸素を合わせた固体の質量です。
計算する前に、「初めの鉄」「加わった酸素」「できた固体」と名前を付けてみましょう。何の重さかが分かれば、足すのか引くのかも決めやすくなります。
同じ反応でも、量る範囲で数字が変わる
質量の計算は「燃焼」という言葉から足し算や引き算を選ぶものではありません。まず、実験前後ではかりの上にある物を列挙します。鉄だけなのか、受け皿も含むのか、容器内の気体まで含むのか。見えない気体を図から外すと、固体が増えた分の行き先がつながらなくなります。 以下は質量の関係を考える仮想実験です。実際の燃焼の手順ではなく、酸素以外との反応や物質の損失がない条件を置いています。酸化鉄の種類によって鉄と酸素の結びつく質量比は異なるため、ここに示す数値の比を、すべての鉄の燃焼に共通する比として暗記しないでください。問題に書かれた測定値を使う練習です。
例題1：全体が変わらないのに固体は増えた
外と物質の出入りがない容器を考えます。反応前の鉄は3.0g、反応後の固体は4.2gでした。容器を含む全体は反応前に120.0gです。固体はすべて回収され、酸素と結びつく以外の変化はありません。反応後の全体の質量と、気体の質量の減少はそれぞれ何gですか。 答え：全体は120.0gのまま、気体は1.2g減ります。 固体に加わった酸素は4.2−3.0＝1.2gです。初めから容器の中にあった酸素が気体の側から固体の側へ移ったので、全体を121.2gにはしません。全体の式にもう一度1.2gを足すと、同じ酸素を二回数えることになります。 「質量が保存されるなら固体も同じ重さ」という答えも違います。保存を考えている範囲は容器全体です。部分ごとの質量は変わっても、合計は変わらない。この二段階を言葉で説明してから式にすると、何を足したのかが明確になります。
例題2：回収した物が少なかったら？
別の実験で、3.0gの鉄を燃やし、はかりに戻せた固体が2.8gでした。実験中に一部が受け皿の外へ飛び散ったことが分かっています。この結果から、鉄が酸素と結びつかなかったと結論できますか。 答え：結論できません。 回収した2.8gは反応後の固体すべてとは限りません。酸素が加わった分と、飛び散って量れなくなった分が重なった測定値です。失われた固体の量が分からなければ、この差だけで結びついた酸素の量は求められません。 計算に使えない数字を見抜くことも実験問題の力です。「引けば0.2gだから」とすぐに進めず、差が何を表すためにはどんな条件が必要かを確認します。すべて回収した、十分に反応した、冷やして量ったといった記述は飾りではありません。問題文の条件に線を引き、使う数値と一組にして読んでください。