化学変化と原子・分子の問題
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 に、炭素の粉末をそれぞれ 、、、、 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 、、、、 であった。
実験 2: 酸化銅 に炭素の粉末 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。
この問題で使うもの
- 熱分解・還元で残る物質の質量（説明と入口の問題）
- 過不足のある反応（説明と入口の問題）
- 質量保存の法則（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）
読み込み中…
右端（太枠）がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
一覧で見る（前提が先）
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
実験 1 で、加熱前の全体の質量から残った固体の質量を引くと、出ていった二酸化炭素の質量がわかります。それが一定になり始めるところを探しましょう。
ヒント 2
炭素 のとき酸化銅 がちょうどすべて銅になります。酸化銅と銅の質量の比、炭素と酸素の質量の比を求めましょう。
ヒント 3
酸化銅と銅の比は 、炭素と酸素の比は です。実験 2 では炭素 が酸素 と結びつき、酸化銅 中の酸素 より少ないので、炭素がすべて反応します。
答えと解説
答えを見る
どこでつまずきましたか？（選ぶと、戻る場所を案内します）
解説を読む
化学反応式は である。
実験 1 の結果の読み取り
質量保存の法則より、(加熱前の全体の質量) (残った固体の質量) (出ていった二酸化炭素の質量) である。
- 炭素 :
- 炭素 :
- 炭素 :
- 炭素 :
- 炭素 :
炭素 までは二酸化炭素が炭素の質量に比例して増え、それ以上では で一定になる。よって、酸化銅 は炭素 とちょうど過不足なく反応し、そのとき残った はすべて銅である（炭素がそれより多いときは、余った炭素の分だけ残った固体が重くなっている）。
したがって、酸化銅 から銅 ができ、酸化銅にふくまれていた酸素は である。
- 酸化銅と銅の質量の比:
- 炭素と、それが結びつく酸素の質量の比:
実験 2
酸化銅 にふくまれる酸素は である。炭素 がすべて反応するのに必要な酸素を とすると、
なので、炭素はすべて反応し、酸化銅の一部が反応せずに残る。
酸素 を失った酸化銅の質量を とすると、酸化銅の が酸素なので
この酸化銅 からできる銅の質量は
（確認: 発生する二酸化炭素は 、残る固体は で、これは銅 と未反応の酸化銅 の合計に一致する。）
よって、答えは である。
別解
実験1で、炭素 増やすごとに、はじめの質量との差（発生した二酸化炭素の質量）は ずつ増える。炭素 まで、炭素はすべて反応している。
炭素 のとき、残った固体は で、これ以上炭素を増やしても銅は増えない。炭素 のときは 、つまり であり、余った炭素 が残っている。よって酸化銅 は炭素 とちょうど反応し、銅 と二酸化炭素 ができる。
質量比は、酸化銅：炭素：銅 である。
実験2では、酸化銅 すべてと反応するのに炭素が 必要だが、加えた炭素は しかない。したがって炭素がすべて反応し、酸化銅が余る。
反応した酸化銅は である。できる銅は となる。
検算：残った固体は、銅 と余った酸化銅 の合計 である。一方、二酸化炭素は なので、 となり一致する。
答え：