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グラフは横→上→左で読む

横軸が金属、縦軸が酸化物なら、金属の値から上に進み直線とぶつかったところで左へ読みます。

その縦の値が酸化物の質量です。

酸素の質量を求めるなら、そこから元の金属の質量を引きます。

縦軸が最初から酸素なら、引き算は不要です。

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加熱途中の粉末は混合物

まだすべてが酸化していないとき、測っている粉末は純粋な酸化物ではありません。

反応した分の酸化物と、元のままの金属が混ざっています。

先に「加熱後−加熱前」で結びついた酸素を求めることが大切です。

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例：銅1.4 gが1.6 gになった

①増加分＝1.6−1.4＝0.2 g。

これは酸素。

②銅：酸素＝4：1なので、反応した銅＝0.2×4＝0.8 g。

③元の銅1.4 gから反応した0.8 gを引いて、未反応の銅＝0.6 gです。

確かめると、酸化銅1.0 g＋未反応の銅0.6 g＝粉末全体1.6 gになります。

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Mgも順番は同じ

Mg0.9 gが途中まで反応して1.2 gなら、酸素は1.2−0.9＝0.3 g。

反応したMg＝0.3×3÷2＝0.45 g。

未反応Mg＝0.9−0.45＝0.45 gです。

加熱回数グラフで横ばいになったら、それ以上質量が増えない段階。

飛散などがない条件では金属が完全に酸化した目安です。

流れをひとつにつなげよう

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Mg3＋酸素2＝酸化Mg5

この教材では約3：2でマグネシウムと酸素が結びつきます。

できた酸化マグネシウムを含めると3：2：5です。

銅の4：1：5と似ていますが、金属の種類が違えば質量比も違います。

問題文の金属名を先に確かめましょう。

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例：Mg0.6 gから計算

Mgの比3を1にするため、まず0.6÷3＝0.2。

酸素の比2を掛けて0.4 gです。

酸化物の質量は0.6＋0.4＝1.0 g。

直接0.6×5÷3でも同じ結果になります。

掛け算を暗記するより、比の3から2へ、3から5へと読むと整理できます。

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逆算：全体5のうち何がほしい？

酸化マグネシウム2.0 gなら、Mgは2.0×3÷5＝1.2 g、酸素は2.0×2÷5＝0.8 gです。

足して2.0 gに戻ることを確認します。

酸化物全体を酸素と取り違えないよう、単位gと物質名を最後まで付けましょう。

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銅との違いを比べる

銅なら酸素は1÷4＝0.25 g。

Mgなら約1×2÷3＝0.67 gです。

だから同じ質量の金属からできる酸化物はMgの方が重くなります。

グラフでは横軸・縦軸が同じ量を表すとき、Mgの直線の方が傾きが大きくなります。

流れをひとつにつなげよう

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3つの質量を分ける

この教材では銅と酸素が結びつく質量比を約4：1として計算します。

酸化銅まで含めると銅：酸素：酸化銅＝4：1：5です。

CuOの原子数は1：1ですが、質量比は4：1。

原子の数と重さは同じではありません。

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例：銅0.8 gに加わる酸素

求めたいのは酸素なので、銅の「4」を酸素の「1」に縮めます。

0.8÷4＝0.2 gが酸素。

できる酸化銅は0.8＋0.2＝1.0 gです。

先に「酸素」か「酸化銅」かを丸で囲むつもりで読みましょう。

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逆算：酸化銅から中身を求める

酸化銅2.5 gなら、銅＝2.5×4÷5＝2.0 g、酸素＝2.5÷5＝0.5 gです。

2.0＋0.5＝2.5と確かめれば、計算の取り違えに気づけます。

酸化銅から酸素を求めるときに4で割るのは誤りです。

全体は5だからです。

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実験とグラフの意味

銅粉末を空気とよく触れ合わせ、加熱と冷却・測定を繰り返します。

飛散などがなければ、質量が一定になったところで完全に酸化したと判断できます。

横軸が銅、縦軸が酸化銅のグラフなら、同じ点の縦−横が酸素です。

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原子はなくならない

化学変化では原子の組み合わせが変わりますが、各種類の原子の数は変わりません。

原子は種類ごとに決まった質量をもつため、反応した物質全体の質量も変わりません。

これが質量保存の法則です。

見える固体だけでなく、関わった気体も含めます。

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白い沈殿ができる実験

2つの水溶液を混ぜると水に溶けにくい硫酸バリウムが生じ、白い沈殿になります。

混ぜる前も後も、両方のビーカーと中身をすべて測ります。

空になったビーカーを測定から外すと、容器の質量まで変わってしまいます。

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気体が出ても密閉なら同じ

塩酸と炭酸水素ナトリウムが反応すると、二酸化炭素・塩化ナトリウム・水ができます。

密閉容器なら気体も中にあるので全体の質量は変わりません。

反応後にふたをゆるめると二酸化炭素が外へ出て、容器と中身の質量が減ります。

気体にも質量があります。

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銅を密閉して酸化する実験

容器内の酸素が銅に取り込まれると気体が減り、冷ました容器内の圧力が外より低くなります。

密閉したまま測ると全体の質量は同じです。

栓を開けると外の空気が入るため、測る全体の質量が増えます。

CO_₂が出ていく実験と、空気が入る実験では開けた後の変化が逆です。

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元素記号と化学式は別の役割

元素記号は原子の種類を表します。

1文字目は大文字、2文字目があれば小文字です。

Coはコバルト、COは炭素と酸素の化合物を表すので、大文字と小文字には意味があります。

化学式は物質を表します。

銅Cuなどは元素記号と同じ形ですが、酸素はO_₂のように数字を付けます。

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右下の数字と前の数字

H_₂Oは水素原子2個と酸素原子1個からなる水分子を表します。

2H_₂Oならその水分子が2個なので、水素原子は4個、酸素原子は2個です。

金属や塩化ナトリウムなどは独立した分子をつくらないので、すべての化学式を分子と呼ばないようにします。

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係数を合わせる順番

まず言葉で反応前と後を書き、次にそれぞれを正しい化学式にします。

最後に各種類の原子を数え、前の係数を調整します。

水の式H_₂OをH_₂O_₂に変えて数をそろえると別の物質になってしまいます。

係数1は省略し、最も簡単な整数比で表します。

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例：水素と酸素の反応

①O_₂に酸素原子が2個ある → 右の水を2H_₂Oにする。

②右の水素原子は4個になる → 左の水素を2H_₂にする。

③左右を確認するとHが4個、Oが2個。

これで完成です。

質量の比は係数だけでは求まりません。

原子の種類によって質量が違うためです。

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熱が出る・熱を受け取る

化学変化に伴って出入りする熱を反応熱と呼びます。

発熱反応では反応から周りへ熱が出て、周りの温度が上がります。

吸熱反応では周りから熱を受け取るので、周りの温度が下がります。

熱がなくなるのではなく、移動します。

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使い捨てかいろは鉄の酸化

化学かいろの主な発熱は鉄粉の酸化によるものです。

活性炭や食塩水などは反応を進める助けになります。

温度を上げる中心の化学変化は鉄と酸素の反応です。

燃焼のように強い光が見えなくても酸化は起こります。

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簡易冷却パックは周りから熱を受け取る

写真の実験では炭酸水素ナトリウムとクエン酸を水と混ぜると、二酸化炭素が発生して温度が下がります。

周りから熱を受け取る吸熱反応の例です。

すべての市販冷却パックが同じ材料とは限りません。

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アンモニアが出る吸熱反応

この実験では刺激臭のあるアンモニアが発生します。

ぬれたろ紙をかぶせるのは、アンモニアを水に溶かして外へ出る量を抑えるためです。

水酸化バリウムやアンモニアは危険性があるため、家庭では再現しません。

試験では物質名・温度変化・吸熱反応の対応を押さえます。

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還元＝酸素が取り除かれる

中学校のこの範囲では、酸化物から酸素が取り除かれる変化を還元と呼びます。

黒色の酸化銅は酸素を失うと赤色（赤褐色）の銅になります。

こすると金属光沢が見られるので、金属ができたことを確かめられます。

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炭素と酸化銅の両方を見る

2CuO＋C→2Cu＋CO_₂。

炭素が酸化銅から酸素を受け取り、二酸化炭素になります。

酸化銅から見ると酸素が取れるので還元、炭素から見ると酸素が加わるので酸化です。

反応全体に1つの名前を無理に付けず、どの物質を見ているかを確かめましょう。

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気体と固体の証拠をそろえる

気体を石灰水に通すと白くにごることから二酸化炭素ができたとわかります。

加熱後、空気が入ると銅が再び酸化されるため、学校の実験では指示された手順でゴム管を閉じます。

逆流を防ぐ操作と、空気の流入を防ぐ操作を混同しないようにします。

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水素でも酸素を受け取れる

加熱した酸化銅に水素を反応させると、銅と水になります。

酸化銅は還元され、水素は酸化されます。

ガスバーナーの内側の炎でも酸素が不足し、還元が起こることがあります。

製鉄ではコークスから生じた一酸化炭素などが鉄鉱石の酸化鉄を還元します。

教材で「コークス（炭素）が酸素を奪う」とまとめる場合も、実際の反応には気体も関わります。

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燃焼と酸化の関係

物質が酸素と結びつく変化のうち、激しく熱や光を出すものを燃焼といいます。

鉄がゆっくりさびる変化も酸化ですが、激しく熱や光を出す燃焼とは区別します。

炎が目立たなくても、火花を出す鉄の反応は燃焼です。

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鉄は酸素中で激しく燃える

スチールウールは細い鉄の集まりです。

ほぐして燃焼さじに付け、酸素の入った集気びんに入れると激しく燃えます。

冷めた後の物質は黒く、金属光沢がなく、もろくなります。

この教材では生成物を酸化鉄と呼びます。

酸化鉄には種類があるため、名前だけから化学式を決めないことも大切です。

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マグネシウムは白色になる

マグネシウムを加熱すると、強い光と熱を出して燃え、白色の酸化マグネシウムになります。

MgOはマグネシウムと酸素の原子が1：1で結びついた化合物です。

強い光を直接見つめないようにします。

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金属の酸化で質量が増える

金属が酸化されてできた酸化物は、反応した金属より重くなります。

酸素が加わったためです。

ただし実験で粉末が飛び散ると正しく測れません。

マグネシウムの加熱では飛散を防ぐ金網などを使います。

安全上、粉末ではなくけずり状のものを扱う実験です。

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酸化＝酸素と結びつく

中学校のこの範囲では、物質が酸素と結びつく化学変化を酸化と呼びます。

「酸化」は変化の名前、「酸化物」はできた物質の分類です。

すべての化合物が酸化物なのではありません。

硫化鉄や塩化銅は、酸素を含まない化合物です。

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銅は赤色から黒色へ

赤色（赤褐色）の銅を空気中で加熱すると、黒色の酸化銅になります。

反応式は2Cu＋O_₂→2CuOです。

酸化銅の質量は反応した銅より大きくなります。

増えた分は、空気から結びついた酸素の質量です。

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炭素は二酸化炭素になる

木炭の主成分は炭素です。

十分な酸素のあるところで燃やすと二酸化炭素になります。

発生した気体は石灰水を白くにごらせます。

木炭は気体になって出ていくので、残った灰の質量は元の木炭より小さくなります。

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測っている範囲を考える

銅だけを測ると、外から加わった酸素の分だけ質量が増えます。

銅と酸素を閉じ込めた容器全体を測れば、反応前後で質量は同じです。

炭素の燃焼でも、二酸化炭素などを含めた全体で考えます。

「質量が増えたから質量保存に反する」は誤りです。

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色と名前をセットにする

硫黄の粉末は黄色です。

鉄粉と硫黄を混ぜただけなら、鉄の性質が残っています。

加熱して反応させると黒色の硫化鉄ができます。

「硫化鉄」は硫黄と鉄の化合物です。

「酸化鉄」と取り違えないよう、相手が硫黄か酸素かを見ます。

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磁石と塩酸で比べる

加熱前の混合物は鉄があるため磁石に引きつけられます。

うすい塩酸を加えると鉄と塩酸が反応して水素が発生します。

反応後の硫化鉄は磁石につきにくく、塩酸で硫化水素が発生します。

硫化水素には特有のにおいがありますが、有毒なので直接嗅いではいけません。

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加熱をやめても反応が続く理由

混合物の上部を加熱し、赤くなり始めたら加熱をやめても反応が進みます。

鉄と硫黄の反応は発熱反応で、反応で出る熱が周りの未反応部分に伝わるからです。

「一度温めたから」だけでなく「反応が熱を出す」を答えましょう。

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実験器具と操作の理由

粉末を混ぜる器具は乳ばち、試験管を持つ器具は試験管ばさみです。

脱脂綿でゆるく栓をして、硫黄の蒸気が外へ出るのを抑えます。

熱い試験管は耐熱性の金網などに置き、机の傷みを防ぎます。

火傷や有毒気体の危険があるため、学校の指示と換気設備のもとで行う実験です。

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銅と硫黄・銅と塩素も結びつく

この教材で、銅と硫黄が反応してできる黒い物質は硫化銅CuSです。

元の銅線は曲がりますが、反応後の硫化銅はもろく、曲げると折れます。

銅と塩素からは塩化銅CuCl_₂ができます。

結びつく相手が硫黄なら硫化物、酸素なら酸化物、塩素なら塩化物と名前も変わります。

塩素は有毒な気体なので、家庭では実験しません。

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