銅と硫黄の化合 ― 質量比から余る物質を判断し、減った質量の理由を説明する
Kさんは、銅と硫黄の化合について調べるため、次の実験を行った。実験1：銅粉4.0 gと硫黄1.0 gをよく混ぜて試験管に入れ、口をしっかり閉じて加熱したところ、激しく反応して黒色の物質が生成した。加熱の前後で試験管全体の質量は変わらなかった。実験2：銅粉4.0 gと硫黄2.0 gを混ぜ、同じように加熱すると、黒色の物質が生成し、試験管の中には黄色い物質が残っていた。実験3：銅粉6.0 gと硫黄2.0 gを混ぜて加熱した。銅と硫黄は質量比4：1で過不足なく反応して硫化銅になることがわかっている。なお、実験2と実験3では試験管の口を開けたまま加熱したため、気体になった硫黄の一部が外へ出て、加熱後の全体の質量は反応前より小さくなった。使用した銅粉と硫黄はよく乾燥させた粉末で、加熱中に空気中の酸素と反応することはないものとする。Kさんは、どの実験でどちらの物質が余るのかを質量比から考え、残った物質の確かめ方も調べることにした。
1. 実験1と実験2では、銅と硫黄のどちらが余るか（または過不足なく反応するか）を判断せよ。さらに、実験2で生成する硫化銅の質量と、反応せずに残る物質の質量と種類を、根拠を示して求めよ。
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1. 質量比で考える 銅：硫黄 ＝ 4：1 でちょうど反応する。
2. 実験1 銅4.0 gに対して必要な硫黄は 4.0 ÷ 4 ＝ 1.0 g。実際に1.0 gあるので過不足なく反応する。生成する硫化銅は 4.0 g ＋ 1.0 g ＝ 5.0 g。
3. 実験2 銅4.0 gに対して必要な硫黄は1.0 gだが、実際には2.0 gある。したがって硫黄が1.0 g余る。銅はすべて反応する。 生成する硫化銅 ＝ 4.0 g（銅）＋ 1.0 g（反応した硫黄）＝ 5.0 g 残る物質 ＝ 硫黄 1.0 g（黄色い物質）
4. 化学反応式による裏づけ 2Cu ＋ S → Cu₂S 銅原子2個（64×2＝128）と硫黄原子1個（32）が反応するので、質量比は128：32＝4：1となり、上の判断と一致する。
ポイント：どちらが余るかは「少ないほうがすべて使われる」と短絡せず、質量比で必要な量を計算して判断する。
2. 実験3（銅粉6.0 g、硫黄2.0 g）で生成する硫化銅の質量と、残る物質の質量と種類を求めよ。また、密閉した実験1で反応前後の質量が等しかったことを、原子の種類と数に着目して説明せよ。
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1. 実験3の計算 銅6.0 gに対して必要な硫黄は 6.0 ÷ 4 ＝ 1.5 g。実際には2.0 gあるので硫黄が余る。 余る硫黄 ＝ 2.0 g − 1.5 g ＝ 0.5 g 生成する硫化銅 ＝ 6.0 g ＋ 1.5 g ＝ 7.5 g 銅はすべて反応するので、残るのは硫黄0.5 gだけ。
2. 質量が等しかった理由 化学変化は、原子が組み替わって別の物質になる変化であり、原子そのものが消えたり新しくできたりはしない。したがって、反応にかかわった原子の種類と数は反応の前後で変わらない。密閉した試験管では、物質が外へ出ることも外から入ることもないので、全体の質量は変化しない。
3. 実験1での確認 銅原子2個と硫黄原子1個が結びついて硫化銅ができる。反応前の銅4.0 gと硫黄1.0 gの合計5.0 gは、反応後の硫化銅5.0 gと等しい。
ポイント：質量保存は「密閉されているかどうか」が条件。開いていれば気体になった物質が逃げ、質量は減って見える。
3. 実験2・実験3で加熱後の全体の質量が反応前より小さくなった理由を述べよ。また、密閉して加熱した場合の質量はどうなると考えられるか。さらに、実験2で残った黄色い物質が硫黄であることを確かめる方法を1つ具体的に書け。
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1. 質量が減った理由 加熱すると硫黄は融けて気体（蒸気）になり、試験管の口が開いているため、反応に使われなかった硫黄の一部が空気中へ出てしまう。出ていった分だけ、加熱後の全体の質量は反応前より小さくなる。銅は気体にならず、硫化銅も固体のままなので外へは出ない。
2. 密閉した場合 外へ出る物質も外から入る物質もないので、質量は反応前と変わらない。ただし、密閉した試験管を加熱すると内圧が上がって破裂する危険があるため、実際には少量で行う、加熱を穏やかにするなどの注意が必要である。
3. 黄色い物質の確かめ方（例） 少量を薬さじでとって燃やす。青白い炎をあげて燃え、刺激臭のある気体（二酸化硫黄）が発生すれば硫黄と判断できる。 （別解：水にもアルコールにも溶けず、二硫化炭素に溶けることを確かめる。加熱すると比較的低い温度で赤褐色の液体になることも手がかりになる。）
ポイント：色だけで判断せず、その物質に特有の性質（燃え方・におい・溶け方）を確かめる操作を答える。