炭酸水素ナトリウムの加熱分解と質量のゆくえ
Eさんは、試験管に炭酸水素ナトリウム4.2 gをとり、試験管の口を少し下向きにしてガスバーナーで加熱し、発生する気体を石灰水に通した。石灰水は白くにごった。気体が発生しなくなったところで加熱をやめ、試験管が冷めてから中の白い固体の質量をはかったところ、2.65 gであった。また、試験管の口の内側に付いた液体に塩化コバルト紙をつけると、青色から赤色に変わった。塩化コバルト紙は水にふれると青色から赤色に変わる。発生した気体と液体はすべて回収でき、加熱前後の質量の差は1.55 gであった。この分解は 2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2 と表される。Fさんは「4.2 gの物質が2.65 gになったのだから、この化学変化では質量が保存されていない」と主張し、Gさんは「気体と液体の分を考えれば説明できる」と反論した。Gさんは、ふたをした密閉容器の中で同じ実験を行えば、加熱の前後で全体の質量は変わらないと考えている。Hさんは、同じ4.2 gの炭酸水素ナトリウムを加熱したが、加熱が不十分で、残った固体の質量は2.9 gであった。Eさんは、加熱後すぐに質量をはかろうとしたが、先生に止められた。原子量はH=1.0、C=12、O=16、Na=23とする。
1. 発生した二酸化炭素と水(液体)の質量をそれぞれ求め、Fさんの主張が正しいかどうかを質量保存の法則の観点から説明せよ。
Read the worked answer
残った固体はNa2CO3なので、物質量は 2.65 g ÷ 106 g/mol = 0.025 mol。 反応式の係数比から、CO2とH2Oもそれぞれ0.025 molできる。
- CO2 = 0.025 mol × 44 g/mol = 1.10 g
- H2O = 0.025 mol × 18 g/mol = 0.45 g 合計 1.55 g で、加熱前後の質量の差と一致する。 したがって 2.65 g + 1.10 g + 0.45 g = 4.20 g となり、加熱前の質量に等しい。 Fさんの主張は誤りで、試験管の外へ出ていった気体と、試験管の口に付いた液体を数えていなかっただけである。化学変化の前後では、関与する物質全体の質量は保存される。密閉容器で行えば、発生した気体も含めて容器全体の質量は変化しない。
2. Hさんのように加熱が不十分なとき、残った固体の質量が2.65 gより大きくなるのはなぜか。また、固体がすべてNa2CO3になったことを確かめるには、どのような操作をすればよいか。
Read the worked answer
加熱が不十分だと、分解していない炭酸水素ナトリウムが固体の中に残る。NaHCO3は分解すると気体と液体として質量の一部が抜けていくので、残る固体の質量は「未反応のNaHCO3 + 生成したNa2CO3」となり、Na2CO3だけのとき(2.65 g)より大きくなる。Hさんの2.9 gはこの状態である。 確かめ方の例:もう一度加熱して、しばらくたっても質量が変化しなくなる(気体が発生しなくなる)ことを確かめる。質量が減り続けているうちは分解が終わっていない。2.65 gで一定になれば、すべてNa2CO3に変わったと判断できる。 なお、加熱時間を延ばせば質量は2.65 gに近づいていくが、加熱しすぎると別の変化が起こるおそれがあるので、質量の変化を記録しながら行うことが大切である。
3. この実験で、Eさんが加熱後すぐに質量をはかろうとしたことを先生が止めた理由と、試験管の口を少し下向きにする理由を、それぞれ説明せよ。
Read the worked answer
冷めてからはかる理由:加熱直後の試験管は高温で、熱による膨張や内部の気体の対流が起こっており、正しい質量をはかれない。また、高温のままでは火傷の危険もある。冷却の途中で試験管の口に付いた水蒸気が液体に変わるなど、状態の変化が終わってからはかる必要がある。 口を下向きにする理由:加熱によって生じた水蒸気が試験管の口の内側で冷やされて液体の水になると、口が上向きや水平だとその水が熱い試験管の底のほうへ流れ戻り、試験管が急に冷えて割れるおそれがある。口を少し下向きにしておけば、水は外へ流れ出て試験管の底に戻らない。 この2つは、結果の正しさと安全の両方に関わる操作であり、実験の条件をそろえるという点でも重要である。