気体の製法・捕集方法・乾燥剤

主な気体の製法（試薬と加熱の有無）を答え、水への溶けやすさと密度から捕集方法（水上・上方・下方置換）を選び、酸性・塩基性・反応性から使える乾燥剤（濃硫酸・十酸化四リン・ソーダ石灰・塩化カルシウム）を判定できる

前提

ハロゲンと貴ガス（高校化学無機物質（知識））
酸素・硫黄とその化合物（高校化学無機物質（知識））
窒素・リンとその化合物（高校化学無機物質（知識））
炭素・ケイ素とその化合物（高校化学無機物質（知識））
弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離（高校化学酸と塩基（知識））
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）

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炭素・ケイ素とその化合物（高校化学無機物質（知識））
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）
アレニウスとブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義（高校化学酸と塩基（知識））
酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））
弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離（高校化学酸と塩基（知識））
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）

説明

実験室で気体をつくるとき、「どの試薬を使い、加熱が必要か（製法）」「どうやって集めるか（捕集方法）」「水分を取り除くのにどの乾燥剤が使えるか」の 3 つを決める必要があります。この技能では、気体の性質（水への溶けやすさ・空気と比べた重さ・酸性か塩基性か・反応性）から、捕集方法と使える乾燥剤を論理的に選べるようにします。主な気体の製法と組み合わせて、正誤問題や選択問題で使います。

なぜそうしてよいのか

製法は、前提の技能で学んだ反応の種類に当てはめると整理できます。弱酸の遊離では $CaCO_{3} + 2 HCl \to CaCl_{2} + H_{2} O + CO_{2}$ （ $CO_{2}$ ）や $FeS + H_{2} SO_{4} \to FeSO_{4} + H_{2} S$ （ $H_{2} S$ ）、揮発性の酸の遊離では $NaCl + H_{2} SO_{4} \to NaHSO_{4} + HCl$ （濃硫酸と加熱）、弱塩基の遊離では $2 NH_{4} Cl + Ca(OH)_{2} \to CaCl_{2} + 2 H_{2} O + 2 NH_{3}$ （加熱）、酸化還元では $MnO_{2} + 4 HCl \to MnCl_{2} + 2 H_{2} O + Cl_{2}$ （加熱）、銅と希硝酸で $NO$ 、銅と濃硝酸で $NO_{2}$ 、銅と熱濃硫酸で $SO_{2}$ 、亜鉛と希硫酸で $H_{2}$ 、過酸化水素水に $MnO_{2}$ （触媒）で $O_{2}$ が得られます。固体どうしの反応や、濃塩酸・濃硫酸を使う反応の多くは加熱が必要です。

捕集方法は、ほかの物質（水や空気）と混ざらないように集めることを考えれば決まります。水に溶けにくい気体（ $H_{2}$ ・ $O_{2}$ ・ $N_{2}$ ・ $NO$ ・ $CO$ など）は、水と置き換える水上置換で集めると空気が混ざらず純粋に集められます。水に溶けやすい気体は水上置換が使えないので、空気と置き換えます。空気の平均分子量は約 29 なので、分子量が 29 より小さい $NH_{3}$ （17）は空気より軽く、上方置換で集めます。分子量が 29 より大きい $HCl$ （36.5）・ $Cl_{2}$ （71）・ $CO_{2}$ （44）・ $SO_{2}$ （64）・ $NO_{2}$ （46）・ $H_{2} S$ （34）は空気より重く、下方置換で集めます。

乾燥剤は「気体と反応しないもの」を選びます。中和反応を考えると、酸性の乾燥剤（濃硫酸・十酸化四リン $P_{4} O_{10}$ ）は塩基性の $NH_{3}$ と反応するので使えず、塩基性の乾燥剤（ソーダ石灰: $CaO$ と $NaOH$ の混合物）は酸性の気体（ $HCl$ ・ $Cl_{2}$ ・ $CO_{2}$ ・ $SO_{2}$ ・ $NO_{2}$ ・ $H_{2} S$ ）と反応するので使えません。中性の塩化カルシウム $CaCl_{2}$ はほとんどの気体に使えますが、 $NH_{3}$ とは結合して $CaCl_{2} \cdot 8 NH_{3}$ をつくるので使えません。さらに濃硫酸は酸化力があるので、還元剤の $H_{2} S$ を酸化してしまい、その乾燥にも使えません。中性の気体（ $H_{2}$ ・ $O_{2}$ ・ $N_{2}$ ・ $CO$ ・ $NO$ など）はどの乾燥剤でも乾燥できます。

手順

目的の気体の製法（試薬・加熱の有無）を、反応の種類（弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離・弱塩基の遊離・酸化還元）に当てはめて確かめる。
その気体が水に溶けやすいかを判断し、溶けにくければ水上置換を選ぶ。
水に溶けやすい場合は分子量を空気の平均分子量（約 29）と比べ、小さければ上方置換、大きければ下方置換を選ぶ。
気体が酸性・塩基性・中性のどれかを判断し、酸性の気体には酸性または中性の乾燥剤、塩基性の気体（ $NH_{3}$ ）にはソーダ石灰などの塩基性の乾燥剤を選ぶ。
例外を確かめる: $NH_{3}$ に $CaCl_{2}$ は使えない、 $H_{2} S$ に濃硫酸は使えない（酸化されるため）。

例題

塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱して発生させたアンモニアを乾燥させたい。乾燥剤として最も適当なものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　濃硫酸
イ　十酸化四リン
ウ　塩化カルシウム
エ　ソーダ石灰

例題の解答

手順 4: $NH_{3}$ は水溶液が塩基性を示す塩基性の気体なので、酸性の乾燥剤は中和反応を起こして使えない。濃硫酸（ア）と十酸化四リン（イ）は酸性の乾燥剤なので不適。
手順 5: 中性の塩化カルシウム（ウ）は、 $NH_{3}$ と結合して $CaCl_{2} \cdot 8 NH_{3}$ をつくるので使えない。
残る塩基性の乾燥剤のソーダ石灰（エ）は $NH_{3}$ と反応しないので適当である。
よって答えはエ。

答え:

エ

よくある誤り

塩化カルシウムは中性なので、アンモニアの乾燥にも使えるとしてしまう誤り。正しくは $CaCl_{2}$ は $NH_{3}$ と結合して $CaCl_{2} \cdot 8 NH_{3}$ をつくるので、 $NH_{3}$ にはソーダ石灰を使う。
$H_{2} S$ は酸性の気体なので濃硫酸で乾燥できるとしてしまう誤り。正しくは、濃硫酸は酸化力をもち、還元剤の $H_{2} S$ を酸化して硫黄を生じてしまうので使えない（ $P_{4} O_{10}$ や $CaCl_{2}$ を使う）。
水に溶けやすい気体の上方置換・下方置換を取り違える誤り。正しくは、分子量を空気の平均分子量 29 と比べ、 $NH_{3}$ （ $14 + 3 \times 1.0 = 17 < 29$ ）は上方置換、 $HCl$ （ $1.0 + 35.5 = 36.5 > 29$ ）や $CO_{2}$ （ $44 > 29$ ）は下方置換で集める。
ソーダ石灰はどの気体の乾燥にも使えるとしてしまう誤り。正しくはソーダ石灰は塩基性なので、 $CO_{2}$ ・ $Cl_{2}$ ・ $HCl$ ・ $SO_{2}$ などの酸性の気体を吸収してしまい（例: $CaO + CO_{2} \to CaCO_{3}$ ）、これらの乾燥には使えない。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
実験室で発生させた気体を乾燥させるとき、乾燥剤としてソーダ石灰（酸化カルシウムと水酸化ナトリウムの混合物）を用いることができない気体はどれか。あてはまるものを、次のア〜オからすべて選べ。
- ア　アンモニア $N H_{3}$
- イ　塩素 $C l_{2}$
- ウ　水素 $H_{2}$
- エ　塩化水素 $HCl$
- オ　酸素 $O_{2}$

この技能を使う問題

	a	b
ア	下方置換	ソーダ石灰
イ	上方置換	ソーダ石灰
ウ	上方置換	濃硫酸
エ	水上置換	塩化カルシウム
オ	上方置換	塩化カルシウム

	a	b
ア	水酸化ナトリウム水溶液	濃硫酸
イ	水	ソーダ石灰
ウ	濃硫酸	水
エ	水	濃硫酸
オ	水酸化ナトリウム水溶液	ソーダ石灰
カ	濃硫酸	ソーダ石灰

この技能の次に学べること

気体の製法の反応と原料の純度（高校化学無機物質）
元素分析の方法（高校化学有機化合物（知識））