気体が発生する反応の質量測定--閉じるか開くかで変わる結論
鹿児島市の中学校で、2年生が「気体が発生する反応でも質量は変わらないか」を調べた。炭酸水素ナトリウムとうすい塩酸を反応させ、反応の前後で全体の質量を電子てんびん（0.1 g単位）で測った。A班はふたのないビーカーで炭酸水素ナトリウム2.0 gと塩酸20 cm³を使い、反応前62.0 g、反応後61.6 gだった。B班は同じ量をふた付きのペットボトルに入れて測り、反応前も反応後も82.0 gだった。C班は炭酸水素ナトリウム2.0 gと塩酸10 cm³で、0.2 g減った。D班は炭酸水素ナトリウム4.0 gと塩酸20 cm³で、0.4 g減った。どの班も、反応は完全に終わったとしている。気温と気圧はどの班もほぼ同じで、てんびんは測る前に校正した。全班とも測定は1回だけである。反応後は、それぞれの容器を静かにゆすってから測った。A班の1人は「質量保存の法則は成り立たない」と結論しかけている。B班のペットボトルは、ふたを開けると少しへこんでいた。
1. A班とB班の結果のちがいを、物質を構成する粒子（原子・分子）のモデルを使って説明せよ。また、A班の「質量保存の法則は成り立たない」という結論がなぜ誤りか述べよ。
Read the worked answer
化学変化では、原子の種類と数は変わらず、組み合わせだけが変わる。だから密閉した容器では、発生した気体も含めた全体の質量は変わらない。B班で反応前後の質量が等しかったのはこのためである。A班はふたのないビーカーを使ったので、発生した二酸化炭素が空気中へ出ていき、その分だけ全体の質量が減って見えた。減った0.4 gは、外へ出ていった気体の質量にあたる。したがって質量保存の法則が成り立たないのではなく、測る範囲に気体を含めていなかったことが誤りの原因である。B班のペットボトルが開けたときにへこんでいたのは、内部の気体が水に溶けるなどして圧力が下がったためで、反応中に気体が外へ出ていないことの裏付けになる。
2. C班とD班の結果から、発生する気体の質量を決めているものは何か。D班で炭酸水素ナトリウムを2倍にしても減少量が増えなかった理由を説明せよ。また、どちらの薬品が残っているかを確かめるには、どのような実験を追加すればよいか。
Read the worked answer
C班（2.0 g＋10 cm³）で0.2 g、A班（2.0 g＋20 cm³）で0.4 gなので、塩酸の体積を2倍にすると発生する気体の質量も2倍になる。ところがD班（4.0 g＋20 cm³）でも0.4 gのままで、炭酸水素ナトリウムを2倍にしても増えない。これは、20 cm³の塩酸に対して炭酸水素ナトリウム2.0 gですでに十分にあり、反応する量を決めているのは塩酸のほうだからである。塩酸がなくなると、炭酸水素ナトリウムが残っていても気体は発生しない。どちらが残っているかを確かめるには、同じ4.0 gに塩酸を40 cm³加えてみる、または炭酸水素ナトリウムを1.0 gに減らして20 cm³の塩酸と反応させ、発生する気体が0.4 gより少なくなるかを見る、といった追加実験を行えばよい。
3. この実験全体を通して、質量保存の法則を確かめる実験として改善すべき点を2つ挙げ、それぞれ理由とともに説明せよ。
Read the worked answer
まず、容器を密閉して気体を逃がさないようにする。ふた付きの容器を使い、反応の前後で質量を測れば、質量保存の法則を直接確かめられる。開いた容器では、発生した気体が外へ出た分だけ質量が減り、法則が成り立たないように見えてしまう。次に、測定の回数を増やす。1回だけの測定では、てんびんの読みのばらつきや操作の失敗を区別できないので、同じ条件で3回以上行って平均をとる。さらに、反応が完全に終わったことを確かめる工夫も必要で、気体の発生が止まったことを目で確認してから測る、反応後にもう一度同じ操作をして質量が変わらないことを確かめる、といった方法がある。薬品の量を変えた条件をそろえて比べることも大切である。