水を入れた集気びんを逆さにして、気体を集める。
水上置換の図を見ると、「びんが逆さだから、空気より軽い気体を集める方法」と考えてしまうことがあります。
でも、酸素も水素も、水上置換で集められます。酸素は空気より少し重く、水素は空気よりずっと軽い気体です。同じ温度・圧力で、同じ体積を比べたときの話です。
重さの違う二つを、なぜ同じ方法で集められるのでしょうか。
びんの中で、何を追い出している？
水上置換では、初めに集気びんを水で満たします。
管から出てきた気体がびんに入ると、その分、水が押し出されます。気体がたまった場所には、もともと水が入っていました。
ここで追い出しているのは、水です。空気の入ったびんから空気を追い出す方法とは、分けて考えてください。
びんの向きだけを見るより、「初めに何が入っているか」を見る方が、集め方の意味につながります。
先に確かめるのは、水への溶けやすさ
せっかく気体を送り込んでも、その気体が水に大量に溶けてしまえば、気体として集めにくくなります。
そのため、水上置換は、水に溶けにくい気体を集めるときに使います。水と反応してしまわないことも必要です。
酸素も水素も、水に溶けにくいため、この方法で集められます。名古屋工業大学の公開資料
「空気より軽いから」ではなく、「水に溶けにくいから」。どの性質を使っているかを分けましょう。
水に溶けにくいと、全く溶けないは違う
ここでも、言い切りすぎないことが大切です。
酸素は水に全く溶けないわけではありません。魚が水中で呼吸できるのも、水に溶けた酸素を取り込んでいるからです。
「少し溶ける」と「水上置換では集められない」は、同じ意味ではありません。
水に溶ける量が小さく、気体として集められることと、一分子も溶けないことを混同しないでください。
空気より重いか軽いかは、別の比較
空気を追い出して集める方法では、気体が空気より重いか軽いかを利用します。
一方、水上置換でまず注目するのは、水に溶けにくいかどうかです。
この二つは、一つの性質ではありません。「空気より重い気体は水に溶けやすい」などと結び付けないようにしましょう。
問題文に気体の性質が二つ並んでいたら、「水への溶けやすさ」「空気と比べた重さ」と、別々の欄に整理してみてください。
最後に、一問だけ
ある気体は、空気より重く、水に溶けにくく、水とも反応しないとします。
「空気より重いので、水上置換では集められない」
この説明は正しいでしょうか。
正しくありません。空気より重いという理由だけでは、水上置換を使えないことにはならないからです。
集め方を答えるときは、方法の名前と、その方法に関係する性質をセットにしましょう。
水上置換なら、まず水との関係。図のびんが上向きか下向きかを覚える前に、何を追い出しているのかを確かめてください。
SAPIX小5の気体｜発生・集め方・性質の解き直し：図と例題で解き直す
容器の中に最初から空気があったら
水上置換の図を読むときは、気体を送り込む前の状態にも注目してください。びんに水を入れたつもりでも、大きな空気の泡が残っていたら、その空気と集めたい気体が混ざります。集まった気体の体積を測れても、すべてが新しく発生した気体だとは言えません。「水に溶けにくい」という性質の確認と、「最初に空気を残さない」という操作の確認は、別々に必要です。
装置の管にも初めは空気が入っています。発生の初めに出てくる気体をそのまま純粋な目的の気体とみなさない理由も、ここにつながります。びんだけを見て、管や発生容器を見落とさないようにしましょう。実験の図は、気体が通ってきた道を最初からたどると、必要な操作の意味が分かります。
例題1：びんに残った泡をどう扱う？
水で満たすべき集気びんに、初めから空気が10mL残っていました。そのあと気体を送り、びん内の気体が合計60mLになりました。「発生させた気体を60mL集めた」と言ってよいでしょうか。温度・圧力の変化と、水への溶け込みは無視します。
解答：言えません。 初めの空気10mLを含んでいるため、新しくびんに入った気体は60−10＝50mLです。しかも、その50mLにも管から押し出された空気が含まれる可能性があります。引き算で新しく入った体積を出せても、それだけで気体の純度まで確かめたことにはなりません。
例題2：集まらない理由を一つに決められる？
水上置換で気体を集めようとしましたが、びんの中の水がほとんど減りませんでした。「この気体は水によく溶ける」と、結果だけから決めてよいですか。ほかに確認することを二つ挙げてください。
解答：決められません。 そもそも気体が十分に発生しているか、管のつなぎ目などから漏れていないかを確認します。管の先が集気びんの口から外れていないかも、確認する点です。
水が減らないという観察から分かるのは、びんに気体がたまっていないということです。原因には、気体の性質だけでなく装置や操作もあります。性質の表に答えを探す前に、発生したか、目的の場所まで届いたか、そこで気体として残ったかを順番に分けます。こうした切り分けは、初めて見る実験装置の問題でも使えます。