化学変化と原子・分子の問題

うすい塩酸を入れたビーカーと、炭酸水素ナトリウムの粉末を用意して、次の実験を行った。

実験 1: うすい塩酸を入れたビーカー全体の質量をはかると $75.0\text{g}$ であった。このビーカーに炭酸水素ナトリウム $4.2\text{g}$ を加えたところ、気体（二酸化炭素）が発生した。気体が発生しなくなってから、ビーカー全体の質量をはかると $77.0\text{g}$ であった。

実験 2: 実験 1 と同じ質量・同じ濃度のうすい塩酸を入れた別のビーカー（ビーカー全体の質量は $75.0\text{g}$）に、炭酸水素ナトリウム $6.3\text{g}$ を加え、気体が発生しなくなってからビーカー全体の質量をはかった。

実験 2 ではかったビーカー全体の質量は何 g ですか。

ただし、実験 1・実験 2 のどちらでも、加えた炭酸水素ナトリウムはすべて塩酸と反応したものとします。発生した二酸化炭素はすべて空気中に出ていき、水の蒸発は考えないものとします。また、発生する二酸化炭素の質量は、反応した炭酸水素ナトリウムの質量に比例するものとします。

炭酸カルシウムにうすい塩酸を加えると、二酸化炭素が発生する。この反応について、次の実験を行った。ただし、発生した二酸化炭素はすべて空気中に出ていき、水溶液にはとけないものとする。また、どの実験でも、気体が発生しなくなるまで待ってから質量をはかった。

実験 1: ビーカーにうすい塩酸 $50{\text{cm}}^3$ を入れ、ビーカー全体の質量をはかると $120.00\text{g}$ であった。このビーカーに炭酸カルシウムの粉末を加え、反応後のビーカー全体の質量をはかった。炭酸カルシウムの質量を $1.00\text{g}$、$2.00\text{g}$、$3.00\text{g}$、$4.00\text{g}$、$5.00\text{g}$ と変えて、それぞれ新しく同じ塩酸 $50{\text{cm}}^3$ を用意して同じ操作を行ったところ、反応後のビーカー全体の質量は、順に $120.56\text{g}$、$121.12\text{g}$、$121.68\text{g}$、$122.46\text{g}$、$123.46\text{g}$ であった。

実験 2: 実験 1 と同じ濃度の塩酸 $50{\text{cm}}^3$ をビーカーに入れ、ビーカー全体の質量をはかると $120.00\text{g}$ であった。このビーカーに、細かくくだいた卵の殻 $4.00\text{g}$ を加えたところ、反応後のビーカー全体の質量は $122.68\text{g}$ であった。卵の殻には炭酸カルシウムのほかに別の物質がふくまれているが、その物質は塩酸と反応せず、気体も発生しないものとする。

実験 2 と同じ卵の殻 $7.00\text{g}$ にふくまれる炭酸カルシウムをすべて反応させるには、実験 1 と同じ濃度の塩酸が少なくとも何 ${\text{cm}}^3$ 必要ですか。

酸化銅と炭素の粉末の混合物を試験管に入れて加熱すると、酸化銅は炭素によって還元されて銅になり、二酸化炭素が発生する。この反応について、次の実験を行った。

実験 1: 酸化銅 $6.00\text{g}$ に、炭素の粉末をそれぞれ $0.15\text{g}$、$0.30\text{g}$、$0.45\text{g}$、$0.60\text{g}$、$0.75\text{g}$ 加えてよく混ぜ、反応が終わるまで十分に加熱した。加熱後に試験管に残った固体の質量は、それぞれ $5.60\text{g}$、$5.20\text{g}$、$4.80\text{g}$、$4.95\text{g}$、$5.10\text{g}$ であった。

実験 2: 酸化銅 $10.00\text{g}$ に炭素の粉末 $0.60\text{g}$ を加えてよく混ぜ、実験 1 と同じように反応が終わるまで十分に加熱した。

ただし、炭素は酸化銅の酸素とだけ結びついて二酸化炭素になり、発生した二酸化炭素はすべて試験管の外に出ていくものとする。また、反応しなかった酸化銅や炭素は変化せずに試験管に残り、できた銅は空気中の酸素と結びつかないものとする。

実験 2 で、加熱後の試験管に残った固体のうち、銅の質量は何 g ですか。

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 $0.30\text{g}$、$0.60\text{g}$、$0.90\text{g}$ 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 $0.50\text{g}$、$1.00\text{g}$、$1.50\text{g}$ であった。

実験 2: マグネシウムの粉末 $0.30\text{g}$ 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 $300{\text{cm}}^3$ 発生した。

実験 3: マグネシウムの粉末 $1.50\text{g}$ 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 $300{\text{cm}}^3$ 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。

銅の粉末をステンレス皿にのせて空気中で加熱する実験を行った。

実験 1: 銅の粉末の質量を $0.40\text{g}$、$0.80\text{g}$、$1.20\text{g}$ に変えて、それぞれ質量が変化しなくなるまでくり返し加熱した。加熱後の皿の上の物質（酸化銅）の質量は、それぞれ $0.50\text{g}$、$1.00\text{g}$、$1.50\text{g}$ であった。

実験 2: 銅の粉末 $2.00\text{g}$ を加熱したが、途中で加熱をやめたところ、皿の上の物質の質量は $2.30\text{g}$ であった。このとき、皿の上には酸化銅と、まだ酸素と結びついていない銅が混ざっていた。

実験 2 で、酸素と結びつかずに残っている銅の質量は何 g ですか。ただし、銅は空気中の酸素とだけ結びつき、加熱中に物質が皿から失われることはないものとする。