化学変化と原子・分子の問題
銅・マグネシウム・酸化銅の粉末を使って、次の実験を行った。ただし、金属が結びつく相手は酸素だけとする。また、どの加熱でも、質量が変化しなくなるまでくり返し加熱した。加熱の途中で物質が容器の外に飛び散ることはないものとする。
実験 1: 銅の粉末 を空気中で加熱すると、すべて酸化銅になり、その質量は であった。また、マグネシウムの粉末 を空気中で加熱すると、すべて酸化マグネシウムになり、その質量は であった。
実験 2: 酸化銅の粉末 と、質量のわからないマグネシウムの粉末をよく混ぜ、空気（酸素）にふれないようにして加熱した。すると、マグネシウムが酸化銅から酸素をうばう化学変化が起こり、酸化マグネシウムと銅ができた。この化学変化は、酸化銅またはマグネシウムのどちらかがなくなるまで進んだ。
実験 3: 実験 2 で加熱したあとの固体をすべてステンレス皿に移し、空気中で加熱した。すると、固体にふくまれていた金属はすべて空気中の酸素と結びついて酸化物になり、皿の上の固体の質量は になった。なお、酸化銅と酸化マグネシウムは、空気中で加熱しても変化しない。
実験 2 でできた銅の質量は何 g ですか。
この問題で使うもの
- 結びつく物質の質量の比（説明と入口の問題）
- 過不足のある反応（説明と入口の問題）
- 2 種類の金属の混合物の酸化（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（4 技能）
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ヒント
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ヒント 1
実験 1 から、銅と酸素、マグネシウムと酸素が結びつくときの質量の比を求めましょう。そのうえで、実験 3 のあとに皿の上にある物質が何と何かを考えます。
ヒント 2
実験 3 のあとの酸化銅は、はじめの酸化銅と同じ にもどります。マグネシウムを とすると、酸化マグネシウムは です。
ヒント 3
より 。次に、酸化銅 中の酸素 と、マグネシウム が結びつける酸素の質量を比べ、どちらが先になくなるかを調べましょう。
答えと解説
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解説を読む
実験 1 から質量の比を求める
銅 と結びついた酸素は なので、
マグネシウム と結びついた酸素は なので、
実験 3 からマグネシウムの質量を求める
実験 3 のあと、皿の上の固体は酸化銅と酸化マグネシウムだけになっている。化学変化の前後で原子の種類と数は変わらないので、銅原子はすべて、はじめの酸化銅 にふくまれていたものである。これがすべて酸化銅にもどるので、酸化銅は である（酸化銅 中の銅は で、これが再び酸化銅になると ）。
マグネシウムの質量を とすると、マグネシウムはすべて酸化マグネシウムになるので、その質量は である。よって
マグネシウムは である。
実験 2 でどちらがなくなったかを調べる
酸化銅 にふくまれる酸素は
マグネシウム が結びつくことのできる酸素は
なので、酸化銅の酸素がすべてうばわれても、マグネシウムは余る。つまり、実験 2 では酸化銅がすべて銅になった（反応したマグネシウムは で、 が残った）。
したがって、できた銅は酸化銅 にふくまれていた銅すべてで、
（注意：マグネシウム がすべて反応したと考えて とすると、酸化銅にふくまれる銅 より多くなってしまい、誤りである。）
答え：
別解
実験1より、銅:酸素 = 1.60:(2.00−1.60)=4:1、マグネシウム:酸素 = 0.90:(1.50−0.90)=3:2 である。
酸化銅 6.00 g にふくまれる銅は g、酸素は 1.20 g である。
実験3では、実験2のあとに残っていた金属もふくめて、すべての銅は酸化銅に、すべてのマグネシウムは酸化マグネシウムになる。したがって、最終的な質量は実験2で何が残ったかによらず、(銅がすべて酸化銅になったときの質量)+(マグネシウムがすべて酸化マグネシウムになったときの質量)で決まる。
はじめのマグネシウムの質量を g とする。銅はすべて酸化銅 6.00 g に戻るので、
より g。
マグネシウム 2.10 g が完全に酸化されるには酸素 g が必要だが、酸化銅がもつ酸素は 1.20 g しかない。よって酸化銅がすべて反応し、マグネシウムが余る。
できた銅は酸化銅 6.00 g にふくまれていた銅すべてなので 4.80 g である。
検算：酸素 1.20 g と反応するマグネシウムは g で、酸化マグネシウムが 3.00 g できる。余ったマグネシウムは 2.10−1.80=0.30 g。実験3では、銅 4.80 g が酸化銅 6.00 g に、マグネシウム 0.30 g が酸化マグネシウム 0.50 g になる。合計は g となり、問題文と一致する。