銅粉の加熱実験 - 質量の増え方から反応の進み具合を判断する
中学3年のKさんたちの班は、ステンレス皿に銅粉2.00 gをうすく広げ、ガスバーナーで加熱して質量をはかる実験を、加熱時間を変えて4回行った。はかりは0.01 gまで読み取れるものを使用し、加熱後は皿ごとはかりにのせ、あらかじめはかっておいた皿の質量を引いて物質の質量を求めた。結果は、3分で2.30 g、6分で2.42 g、9分で2.50 g、12分で2.50 gであった。銅と酸素は4:1の質量比で化合すること、銅粉がすべて酸化銅になるとそれ以上加熱しても質量は変化しないことは、事前に学習している。加熱中、Kさんは銅粉のごく一部が皿の外へ飛び散るのを見ており、9分と12分では皿の上の物質の色が同じだったことも記録している。また、6分加熱のあとには物質に赤みが残っていた。同じ班の別の生徒が6分加熱をやり直したところ、2.44 gという値になった。班の話し合いでは、「9分より長く加熱しても質量が増えないのは、反応が終わったからなのか、それとも別の理由があるのか」「飛び散りを考えに入れると、3分加熱のとき反応しなかった銅は何gか」「やり直しの2.44 gという値は、どのような原因で生じたと考えられるか」の3点で意見が分かれた。
1. 3分加熱のとき、反応せずに残っていた銅は何gと考えられるか。飛び散りの記録をふまえたうえで、数値の意味と限界を説明せよ。
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手順
- 銅粉の質量の増加分は、化合した酸素の質量である。 2.30 g − 2.00 g = 0.30 g
- 銅と酸素は4:1で化合するので、0.30 gの酸素と化合した銅は 0.30 g × 4 = 1.20 g
- したがって未反応の銅は 2.00 g − 1.20 g = 0.80 g
判断の根拠と限界 この計算は「増えた質量がすべて銅と酸素の化合によるもの」という前提に立っている。しかし加熱中に銅粉の一部が皿の外へ飛び散っていると、その分の銅は酸化していないのに質量の計算からは消えてしまう。その場合、実際に酸化した銅は1.20 gより少なく、未反応の銅は0.80 gより多くなる。つまり0.80 gは「反応しなかった銅の上限に近い見積もり」ではなく、飛散を無視した場合の値であり、飛散があったなら未反応量はもっと多い方向にずれる。色に赤みが残っていたという記録は、未反応の銅が存在するという結論と矛盾しない。
2. 9分と12分で質量が2.50 gのまま変わらないのはなぜか。「反応が終わった」という考えと、それ以外の可能性を比べて判断せよ。
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まず理論値を出して比べる 2.00 gの銅がすべて酸化銅になるときに化合する酸素は 2.00 g ÷ 4 = 0.50 g よって全体の質量は 2.00 g + 0.50 g = 2.50 g となる。 この値は9分・12分の測定値2.50 gと完全に一致する。
判断
- 「反応が終わった」と考えると、測定値が理論値と一致する説明がつく。9分の時点で銅はすべて酸化銅になっており、それ以上加熱しても化合する銅が残っていないので質量は増えない。
- 「別の理由」として、たとえば酸素が不足した、加熱が弱くなった、といった可能性も考えられる。しかし酸素不足や加熱不足なら未反応の銅が残り、質量は2.50 gより小さいままになるはずである。実際には理論値ちょうどまで増えているので、この可能性は否定できる。
- 飛散があった場合も質量は2.50 gより小さくなる方向にずれる。2.50 gに一致していることから、9分以降の実験では飛散の影響はごく小さいと判断できる。
以上より、「銅粉がすべて酸化銅になったため」と結論するのが最も妥当である。
3. 別の生徒が行った6分加熱の結果が2.44 gだったことは、どのように説明できるか。原因を複数挙げ、どれが確かめられるかを述べよ。
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値の意味を整理する 2.44 g − 2.00 g = 0.44 g の酸素が化合したことになり、化合した銅は 0.44 g × 4 = 1.76 g、未反応の銅は0.24 gとなる。もとの班の6分の値2.42 g（酸素0.42 g）と比べて0.02 g大きい。はかりが0.01 gまでしか読めないことを考えると、差は目盛り2つ分にすぎない。
考えられる原因
- 銅粉の広げ方の違い：うすく広げるほど空気にふれる面積が大きく、短時間でよく酸化が進む。
- 加熱の強さや炎の当て方の違い：同じ6分でも温度が高ければ反応速度が大きい。
- 空気の流れ：理科室の窓が開いていれば、酸素の供給量が変わる。
- 読み取り誤差：0.01 g単位の目盛りの読み方のばらつき。
- 前の実験の酸化銅が皿に残っていた：見かけの質量が大きくなる。
確かめ方 1〜3は、銅粉の広げ方・加熱の位置・窓の状態をそろえて同じ班が複数回繰り返せば、ばらつきの大きさとして評価できる。5は、加熱前に皿をよく洗って質量を確認しておけば排除できる。4は、同じ皿を複数回はかって平均をとることで小さくできる。