炭酸カルシウムと塩酸の量的関係
炭酸カルシウムにうすい塩酸を加えると二酸化炭素が発生する。Yさんたちは、0.50 mol/Lの塩酸60 cm³を入れた三角フラスコに、炭酸カルシウムを0.50 g、1.00 g、1.50 g、2.00 gと変えて加え、発生した気体の体積を水上置換でメスシリンダーに集めて測定した。温度は20℃、圧力は1気圧で、このとき気体1 molの体積は24 Lとする。結果は、0.50 gで120 mL、1.00 gで240 mL、1.50 gで360 mL、2.00 gで360 mLであった。反応は CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2 で表され、炭酸カルシウムの式量は100とする。Yさんは「2.00 gを加えれば気体は480 mLになるはずだ」と考えたが、実際は360 mLで止まった。先生は「どちらの物質が不足しているかを、物質量の比で考えよう」と助言した。塩酸の体積は60 cm³、濃度は0.50 mol/Lで、反応中は温度がほぼ一定になるようにした。なお、発生した気体の一部は水に溶け、装置内にも残ることが知られている。
1. 2.00 gの炭酸カルシウムを加えたとき、気体が360 mLで止まった理由を、塩酸と炭酸カルシウムの物質量の比から説明せよ。また、反応せずに残った炭酸カルシウムの質量を求めよ。
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塩酸の物質量は 0.50 mol/L × 0.060 L ＝ 0.030 mol。炭酸カルシウム2.00 gの物質量は 2.00 g ÷ 100 g/mol ＝ 0.020 mol。
反応式の係数より、CaCO3 1 mol と HCl 2 mol が反応する。0.020 molのCaCO3をすべて反応させるには0.040 molのHClが必要だが、実際は0.030 molしかない。したがって塩酸が不足し、反応するCaCO3は 0.030÷2＝0.015 mol＝1.50 g。残るCaCO3は 2.00－1.50＝0.50 g。
発生するCO2はCaCO3と同じ物質量で0.015 mol。体積は 0.015 mol × 24 L/mol ＝ 0.36 L ＝ 360 mL となる。
2. 同じ塩酸を120 cm³に増やし、炭酸カルシウム2.00 gを加えると、発生する気体は何mLになるか。物質量の比を用いて説明せよ。
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塩酸120 cm³の物質量は 0.50×0.120＝0.060 mol。CaCO3 2.00 gは0.020 molで、すべて反応するにはHCl 0.040 molが必要。0.060 molあるのでHClは足りており、CaCO3がすべて反応する。
発生するCO2はCaCO3と同じ0.020 mol。体積は 0.020×24＝0.48 L＝480 mL。塩酸が余るので、気体の体積は加えたCaCO3の量に比例する。
3. この実験で、測定した気体の体積が理論値より少し小さくなる原因を二つ挙げ、それぞれの改善策を述べよ。
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①二酸化炭素は水に少し溶ける。水上置換で集めると溶けた分だけ体積が小さくなる。改善策として、飽和した二酸化炭素水溶液や温めた水を使う、または注射器で直接捕集する。 ②発生初期の気体には、フラスコ内の空気が混じる。また、反応後に装置内に気体が残る。改善策として、発生し始めの気体を少し捨ててから集める、反応後に水を注いで押し出す、装置のすき間を減らす。 ③温度や圧力が測定中に変わると体積が変わる。改善策として、温度を一定に保ち、メスシリンダー内の水面を外の水面と一致させて圧力をそろえる。