マグネシウムの燃焼 - 質量変化を原子の数から読み解く
山口県内の中学校で、マグネシウムの燃焼について調べた。長さ10 cmのマグネシウムリボン1.2 gをステンレスの皿の上に置き、ガスバーナーを用いて、白い煙がほとんど出ないようにゆっくりと完全に燃やしたところ、白い粉末が2.0 g得られた。原子量はMg=24、O=16とする。燃焼後の粉末はすべて酸化マグネシウムであるとする。別の班は同じリボン2.4 gを短時間で一気に燃やしたが、得られた白い粉末は3.6 gであった。また、別の班が密閉した容器の中でマグネシウムを燃やすと、燃やす前後で容器全体の質量は変わらなかった。実験に用いた電子てんびんは0.1 gまで測ることができ、ステンレスの皿の質量はあらかじめ測定してあり、計算から除いてある。Eさんは「燃やすと質量が増えるのは、ものが増えたからだ」と言い、Fさんは「2.4 gから3.6 gしか得られなかったのは、燃やし方が悪かったからだ」と言った。
1. 1.2 gのマグネシウムから2.0 gの酸化マグネシウムが得られたことから、反応した酸素の質量と、マグネシウムと酸素の原子数の比を求め、化学反応式を書け。
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反応した酸素の質量は 2.0−1.2 = 0.8 g。
マグネシウムの物質量は 1.2÷24 = 0.05 mol、酸素原子の物質量は 0.8÷16 = 0.05 mol。したがってMgとOの原子数の比は 0.05 : 0.05 = 1 : 1 で、化合物はMgOとわかる。
酸素は分子O₂として反応するので、係数をそろえると
2Mg + O₂ → 2MgO
となる。Mg : O₂ : MgO の係数の比は 2 : 1 : 2 である。質量の比で見ると、Mg 48 : O₂ 32 : MgO 80 となり、1.2 gのMgには0.8 gの酸素が結びつくという結果と一致する。
2. 2.4 gのマグネシウムから3.6 gしか得られなかった理由として考えられることを二つ挙げ、それぞれを確かめる方法を書け。
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すべて反応すれば 2.4×40÷24 = 4.0 g 得られるはずなので、0.4 g分が不足している。3.6 gのMgOに対応するMgは 3.6×24÷40 = 2.16 gで、0.24 gのMgが反応していない計算になる。
① 未反応のマグネシウムが残った。確かめ方：得られた粉末にうすい塩酸を加え、気体（水素）が発生すれば未反応のMgが残っている。MgOは塩酸に溶けるが気体は発生しない。
② 白い煙（酸化マグネシウムの微粒子）となって空気中に散った。確かめ方：皿のまわりや周囲に置いたガラス板の表面に白い粉末が付いていないかを観察する。ふたをして燃やせば散る量を減らせる。
③ 酸素が不足して反応が止まった。確かめ方：空気を十分に送り込む、または酸素中で燃やす。
Fさんの「燃やし方が悪かった」は方向として正しいが、①〜③のどれかを確かめなければ原因は特定できない。
3. 密閉容器の中で燃やすと質量が変わらない理由を、原子のモデルを用いて説明せよ。また、ふたをしないで燃やすと質量が増える理由も述べよ。
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化学変化では、原子が新しくできたり消えたりするのではなく、結びつき方が変わるだけである。密閉容器では、反応前後で原子の種類と数が変わらず、Mg原子も酸素原子も容器の中にとどまる。だから全体の質量は変わらない。
ふたをしない場合、マグネシウムは空気中の酸素分子と結びつく。酸素原子はもともと容器の外の空気中にあったもので、反応後にMgOとして加わるため、見かけの質量は酸素の分だけ増える。1.2 gのMgが2.0 gになったのは、0.8 gの酸素が結びついたためである。
Eさんの「ものが増えた」は誤りで、目に見えなかった酸素が加わっただけである。