マグネシウムと塩酸の限量試薬
2つの班が、マグネシウムの帯と1.0 mol/Lの塩酸を反応させ、発生する水素の体積を同じ温度・圧力で測った。塩酸はそれぞれ20 mLずつ用い、マグネシウムはA班が0.20 g、B班が0.40 g用いた。発生した水素の体積は、A班が198 mL、B班が240 mLだった。水温は25℃で、気体1 molの体積は24 Lとする。原子量はMg=24.3、H=1.0、Cl=35.5である。B班の生徒は「マグネシウムを2倍にしたのだから、水素も2倍の396 mLになるはずだ」と予想していた。反応式はMg+2HCl→MgCl2+H2である。実験後、B班の塩酸にはマグネシウムが少し残っていた。A班の塩酸にはマグネシウムは残っていなかった。2つの班は同じ試験管を使い、反応開始から気体の発生が止まるまで待って体積を読んだ。気体の体積はメスシリンダーで水上置換法により測定した。B班は、残ったマグネシウムの質量を測っていない。A班は、発生した気体に空気が混じらないよう、最初の数 mLを捨てた。先生は、どちらの班も計算で理論値を確かめるように指示した。
1. 0.20 gと0.40 gのそれぞれで、MgとHClのどちらが限量か。物質量を計算して判定せよ。
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塩酸20 mLは (1.0\ \mathrm{mol/L}\times0.020\ \mathrm{L}=0.020\ \mathrm{mol})。
A班のMgは (0.20/24.3=0.0082\ \mathrm{mol})。反応式からMg 1 molにHCl 2 molが必要なので、必要なHClは0.0165 mol。塩酸は0.020 molあるので、A班はMgが限量。
B班のMgは (0.40/24.3=0.0165\ \mathrm{mol})。必要HClは0.0329 molで、塩酸0.020 molより多い。したがってB班はHClが限量。実験後にMgが残ったこととも一致する。
2. 0.20 gでの水素の理論体積を求め、198 mLと比較せよ。また0.40 gで水素が2倍にならない理由を、反応式と限量試薬の言葉で説明せよ。
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A班はMg 0.0082 molがすべて反応し、H2も0.0082 molできる。体積は (0.0082\times24=0.197\ \mathrm{L}\approx198\ \mathrm{mL})で、実測とほぼ一致する。
B班はHCl 0.020 molが限量。H2はHClの半分の0.010 molしかできない。体積は (0.010\times24=0.240\ \mathrm{L}=240\ \mathrm{mL})。Mgを2倍にしても、HClが足りなければH2は2倍にならない。B班の予想396 mLは、Mgがすべて反応すると仮定した値で、限量試薬を考えていない。
3. 0.40 gのMgをすべて反応させて0.20 gのときの2倍の水素を得るには、1.0 mol/L塩酸を少なくとも何 mL 必要か。また、そのとき発生する水素の体積を求めよ。
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B班のMg 0.0165 molをすべて反応させるには、HClが (0.0165\times2=0.033\ \mathrm{mol}) 必要。1.0 mol/L塩酸なら (0.033/1.0=0.033\ \mathrm{L}=33\ \mathrm{mL})。実際には塩酸を少し過剰にする必要があるので、例えば40 mL用いる。
このときH2はMg基準で0.0165 molできる。体積は (0.0165\times24=0.396\ \mathrm{L}=396\ \mathrm{mL})。これはA班の198 mLの2倍である。条件を変えるときは、HCl量を限量試薬でなくする必要がある。