化学分野の用語と知識の問題
ある気体 X について、次の実験 1〜3 を行った。
実験 1 塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を乾いた試験管に入れて加熱すると、刺激臭のある気体 X が発生した。
実験 2 気体 X を満たした乾いた丸底フラスコに、ゴム栓をした。このゴム栓には、少量の水を入れたスポイトと、ガラス管が差しこんである。ガラス管の先を、フェノールフタレイン溶液を数滴加えた水の入ったビーカーにつけ、スポイトの水をフラスコ内におし出した。すると、ビーカーの水がガラス管を通ってフラスコ内に噴水のように吹き上がり、フラスコ内で赤色に変わった。
実験 3 同じ温度・同じ圧力のもとで、同じ体積の気体 X と空気の質量を比べると、気体 X の質量のほうが小さかった。
実験 2・実験 3 の結果から考えて、気体 X を集めるのに最も適した気体の集め方を何というか。漢字で答えよ。
この問題で使うもの
- 気体の発生方法・性質・集め方（説明と入口の問題）
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ヒント
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ヒント 1
実験 2 からは「水へのとけやすさ」、実験 3 からは「空気と比べた重さ（密度）」がわかります。この 2 つの性質で、気体の集め方が決まります。
ヒント 2
噴水が起こるのは、スポイトの少量の水に気体がたくさんとけて、フラスコ内の圧力が下がるからです。水にとけやすい気体は、水と置きかえる集め方が使えません。
ヒント 3
水にとけやすい気体を集める方法は、空気より重いか軽いかで 2 つに分かれます。気体 X は空気より軽いので、容器の口をどちらに向けて集めればよいかを考えましょう。
答えと解説
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上方置換法
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解説を読む
【気体 X の正体】
実験 1 の「塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱する」は、アンモニアを発生させる方法です。刺激臭があることもアンモニアの性質と一致します。
【実験 2 からわかること】
・スポイトの少量の水に気体 X がたくさんとけるので、フラスコ内の気体が減って圧力が下がります。そのため、ビーカーの水がおし上げられて噴水のように吹き上がります。つまり、気体 X は水に非常にとけやすいことがわかります。
・フェノールフタレイン溶液が赤色に変わったので、気体 X がとけた水溶液はアルカリ性です。
【実験 3 からわかること】
同じ体積で比べると空気より質量が小さいので、気体 X は空気より密度が小さい（軽い）ことがわかります。
【集め方】
水にとけやすいので、水と置きかえて集める方法は使えません。空気より軽いので、試験管などの容器の口を下に向けて気体を入れ、上にたまった気体で空気をおし出して集めます。この集め方を上方置換法といいます。
【ほかの集め方との違い】
・水上置換法：水にとけにくい気体（酸素・水素・窒素など）を、水と置きかえて集める方法。気体 X は水に非常にとけやすいので適しません。
・下方置換法：水にとけやすく、空気より密度が大きい（重い）気体を、容器の口を上に向けて集める方法。気体 X は空気より軽いので適しません。
したがって、答えは上方置換法です。
別解
実験1で塩化アンモニウムと水酸化カルシウムを加熱して発生する刺激臭の気体 X はアンモニアである。
実験2では、水がフラスコ内に噴水のように吹き上がっており、X が水に非常によくとけることがわかる。フェノールフタレイン溶液が赤色に変わったので、水溶液はアルカリ性である。
実験3では、同じ体積で比べると X は空気より軽い（密度が空気より小さい）ことがわかる。
水にとけやすい気体は水上置換法では集められない。空気より軽い気体は上方置換法で集める。
よって、最も適した集め方は上方置換法（上方置換）である。
確認：アンモニアは水によくとけ、空気より軽い（分子量17に対し空気の平均は約29）。これは上方置換法で集める気体の性質と合っている。