銅粉の加熱と酸化銅の還元――質量データから反応の進み具合を判断する
鈴木さんは、銅の酸化と酸化銅の還元について調べるため、次の3つの実験を行った。実験1：ステンレス皿に銅粉2.0gをうすく広げ、ガスバーナーで十分に加熱し、冷えてから質量を測ると2.5gだった。実験2：別の皿に銅粉4.0gをうすく広げ、同じように加熱したが、加熱時間が短く、質量は4.6gにしかならなかった。皿の上の物質には、ところどころ赤色の銅が残っていた。実験3：酸化銅4.0gと炭素粉末0.3gをよく混ぜて試験管に入れ、発生する気体を石灰水に通しながら十分に加熱すると、石灰水は白くにごり、試験管の中には赤色の固体が残った。冷えてから固体の質量を測ると3.2gだった。鈴木さんは、実験1から「銅は加熱すると質量が1.25倍になる」と決めて実験2の結果を説明しようとして行き詰まり、実験3では質量が減った理由を「炭素が燃えてなくなったからだ」と考えた。銅原子と酸素原子の質量の比は4：1、銅の原子量は64、炭素の原子量は12、酸化銅の式量は80とし、発生した気体はすべて石灰水に吸収されたものとする。加熱の前後で、物質が空気中の水分を吸うことはないものとする。
1. 実験2で、酸化されずに残った銅は何gか。反応した銅の質量をx gとおいて式を立て、計算の過程を示して求めなさい。
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銅原子と酸素原子の質量比が4：1なので、銅がすべて酸化されると、銅の質量の1.25倍の酸化銅になる（実験1：2.0g→2.5gで確認できる）。
式を立てる
銅粉4.0gのうち、反応した銅を x g とすると
- できた酸化銅：1.25x g
- 反応せずに残った銅：(4.0−x) g
加熱後の全体の質量は4.6gなので
1.25x＋(4.0−x)＝4.6 0.25x＝0.6 x＝2.4g
答え：反応した銅は2.4g、酸化されずに残った銅は 4.0−2.4＝1.6g。
（確かめ：2.4gの銅が結びついた酸素は0.6g。酸化銅は2.4＋0.6＝3.0g、これに残った銅1.6gを加えると4.6gになり、測定値と一致する。銅粉4.0gがすべて酸化すれば5.0gになるはずなので、4.6gという値は加熱が不十分だったことを示している。）
2. 実験3で、酸化銅は完全に還元されたといえるか。酸化銅4.0gに含まれる銅と酸素の質量、および加熱後に残った固体の質量を比べて判断しなさい。また、質量が減った理由を、鈴木さんの考えの誤りも指摘して説明しなさい。
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酸化銅4.0gの内訳
銅：酸素＝4：1なので
- 銅：4.0×4/5＝3.2g
- 酸素：4.0×1/5＝0.8g
判断
加熱後に残った固体は3.2gで、酸化銅に含まれていた銅の質量と完全に一致する。酸化銅が一部でも残っていれば、固体の質量は3.2gより大きくなるはずである。したがって、**酸化銅はすべて銅に還元された（完全に還元された）**といえる。
質量が減った理由
減った0.8gは、酸化銅からうばいとられた酸素の質量である。酸素は炭素と結びついて二酸化炭素になり、気体として試験管の外へ出て石灰水に吸収された（石灰水が白くにごったことが、二酸化炭素が発生した証拠）。
鈴木さんの考えの誤り：減ったのは炭素ではなく、酸化銅中の酸素である。炭素は反応して二酸化炭素の一部となり、気体として出ていくので、炭素だけが減ったと考えるのは誤り。
3. 実験3で用いた炭素0.3gは、酸化銅4.0gを還元するのに足りていたといえるか。化学反応式をもとに物質量で確かめなさい。また、炭素を0.1gに変えると、加熱後の固体の質量は3.2gより大きくなるか、小さくなるか、理由をつけて答えなさい。
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反応式
2CuO ＋ C → 2Cu ＋ CO₂
物質量で確かめる
- 酸化銅：4.0g÷80g/mol＝0.050mol
- 必要な炭素：反応式の係数比2：1より 0.050÷2＝0.025mol
- 0.025molの炭素の質量：0.025mol×12g/mol＝0.30g
答え：必要な炭素はちょうど0.30gで、足りている（実際に完全還元されて銅3.2gが残ったこととも一致する）。
炭素を0.1gにした場合
0.1gの炭素は 0.1÷12≒0.0083mol しかなく、必要な0.025molに足りない。炭素がなくなった時点で還元は止まり、酸化銅の一部が未反応で残る。酸化銅には酸素が含まれている分だけ質量が大きいので、固体の質量は3.2gより大きくなる。
（不足分の炭素で還元できる酸化銅は 0.0083×2＝0.0167mol＝1.33g。残りの約2.67gは酸化銅のままで、固体の質量はおよそ 3.2×(1.33/4.0)＋2.67≒3.7g 程度になると見積もられる。）