化学変化と原子・分子の問題
マグネシウムの粉末を使って、次の実験を行った。
実験 1: マグネシウムの粉末 、、 をそれぞれステンレス皿にのせ、質量が変化しなくなるまでくり返し加熱した。マグネシウムはすべて酸化マグネシウムになり、加熱後の物質の質量は順に 、、 であった。
実験 2: マグネシウムの粉末 を十分な量のうすい塩酸に入れたところ、マグネシウムはすべて反応し、水素が 発生した。
実験 3: マグネシウムの粉末 をステンレス皿にのせ、短い時間だけ加熱したところ、マグネシウムの一部だけが酸化マグネシウムになった。加熱後の皿の上の固体をすべて十分な量のうすい塩酸に入れたところ、水素が 発生した。
ただし、酸化マグネシウムは塩酸と反応しても気体を発生しないものとする。また、発生する水素の体積はすべて同じ温度・圧力で測定したものとし、反応したマグネシウムの質量に比例するものとする。マグネシウムは空気中の酸素とだけ結びつくものとする。
実験 3 で、加熱後の皿の上の固体の質量は何 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）
- 途中でやめた反応の残りの量（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（3 技能）
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ヒント
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ヒント 1
加熱後の固体は「酸化マグネシウム」と「反応せずに残ったマグネシウム」の混ざったものです。塩酸から水素を出すのはどちらかを考えましょう。
ヒント 2
実験 1 からマグネシウムと酸素が結びつく質量の比を、実験 2 から水素の体積とマグネシウムの質量の関係を求めましょう。
ヒント 3
マグネシウム:酸素 で、水素 から残ったマグネシウムは とわかります。酸素と結びついたマグネシウムは です。
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。
マグネシウム が酸化マグネシウム になったので、結びついた酸素は
よって、マグネシウムと酸素は質量の比
で結びつく（、 でも同じ比になる）。
実験 2・3 から反応せずに残ったマグネシウムの質量を求める。
酸化マグネシウムは塩酸と反応しても気体を出さないので、実験 3 で発生した水素は、加熱で酸化されずに残ったマグネシウムから発生したものである。実験 2 より、マグネシウム から水素 が発生し、水素の体積はマグネシウムの質量に比例するので、水素 を発生させた残りのマグネシウムは である。
酸素と結びついたマグネシウムと、結びついた酸素の質量を求める。
酸素と結びついたマグネシウムは
結びついた酸素の質量を とすると、 より
加熱後の固体の質量
化学変化の前後で、マグネシウムに結びついた酸素の分だけ質量が増えるので
(確認：酸化マグネシウム と残りのマグネシウム の合計で 。)
答え：
別解
実験1より、マグネシウム0.30 gが酸素と結びつくと酸化マグネシウム0.50 gになる。つまりマグネシウム：酸素：酸化マグネシウム＝3：2：5 である。
実験2より、マグネシウム0.30 gから水素が300 cm³発生する。実験3で発生した水素は300 cm³なので、塩酸と反応したマグネシウム（酸化されずに残っていたもの）は0.30 gである（酸化マグネシウムは気体を発生しない）。
よって、酸化されたマグネシウムは 1.50 − 0.30 = 1.20 g。
この1.20 gのマグネシウムと結びついた酸素の質量は、3：2 の比から g。
したがって加熱後の固体の質量は、未反応のマグネシウム 0.30 g ＋ 酸化マグネシウム（1.20＋0.80＝2.00 g）＝2.30 g。
検算：全体は 1.50 g のマグネシウムに酸素 0.80 g が結びついたので、1.50＋0.80＝2.30 g。酸化マグネシウム 2.00 g 中のマグネシウムは 2.00×3/5＝1.20 g で、未反応 0.30 g と合わせて 1.50 g となり、一致する。