ラベルの消えた白い粉末の同定
科学部の生徒が、理科室の薬品棚でラベルが半分はがれた白い粉末Aを見つけた。Aは水に完全に溶け、その水溶液は電導性があった。Aの水溶液に塩酸を加えると気泡が発生し、発生した気体を石灰水に通すと白く濁った。Aを乾いた試験管に入れて加熱すると、試験管の口に水滴が付き、気体が発生した。加熱後の残留物を水に溶かし、塩化カルシウム水溶液を加えると白い沈殿ができた。Aの水溶液に硝酸銀水溶液を加えても変化はなかった。別の白い粉末Bは水に溶けず、塩酸を加えると気泡が発生し、気体は石灰水を白く濁らせた。Bを加熱しても目立った変化はなかった。生徒はAを「炭酸ナトリウム」、Bを「炭酸カルシウム」と判断したが、Aについては「炭酸水素ナトリウムかもしれない」という意見も出た。Aは2.0g、Bは2.0gを用い、塩酸はうすい塩酸を十分量加えた。加熱はガスバーナーで試験管を加熱し、加熱後は十分に冷ましてから残留物を調べた。Aの水溶液はフェノールフタレイン液を赤色に変えた。Bの水溶液は得られなかったため、Bについては水溶液の性質を調べられなかった。班では、AとBのどちらが炭酸水素ナトリウムか、また加熱の結果が決め手になるかを話し合った。
1. AとBはそれぞれ何か。観察結果をすべて用いて説明せよ。
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Aは炭酸水素ナトリウム、Bは炭酸カルシウム。 Aは水に溶けて電導性があり、塩酸で二酸化炭素を発生するので、炭酸塩または炭酸水素塩と考えられる。加熱すると水滴と気体が生じ、加熱後の残留物が塩化カルシウム水溶液で白い沈殿をつくる。これは加熱によって炭酸ナトリウムが生じたことを示す。炭酸ナトリウムは加熱してもこの変化をしない。硝酸銀水溶液で変化しないので塩化物ではない。 Bは水に溶けず、塩酸で二酸化炭素を発生し、加熱しても目立った変化をしないので炭酸カルシウム。
2. 加熱前のAと加熱後の残留物の変化を化学反応式で示せ。また、塩酸だけではAと炭酸ナトリウムを区別できない理由を述べよ。
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加熱：2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2。 塩酸との反応：NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2、Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2。 塩酸を加えると、炭酸水素ナトリウムも炭酸ナトリウムも二酸化炭素を発生するため、気体の発生だけでは区別できない。区別には、加熱による水と二酸化炭素の発生、または加熱後の残留物が塩化カルシウム水溶液で沈殿するかどうかの比較が有効。
3. Bの同定に、塩酸以外に有効な方法を1つ挙げ、その原理を説明せよ。
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水への溶解性を調べる方法。炭酸カルシウムは水にほとんど溶けないが、炭酸ナトリウムや炭酸水素ナトリウムはよく溶ける。Bが水に溶けず、Aが溶けることは、Bを炭酸カルシウムと絞る根拠になる。ただし、AとBの区別を確実にするには、加熱による二酸化炭素と水の発生の有無を組み合わせる。