うすい塩酸を入れたビーカー全体の質量をはかると でした。このビーカーに炭酸水素ナトリウム を加えたところ、気体の二酸化炭素が発生しました。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 でした。発生してビーカーの外へ出ていった二酸化炭素の質量は何 g ですか。ただし、ビーカーから出ていった物質は二酸化炭素だけとします。
質量保存の法則
化学変化の前後で物質全体の質量が変わらないことを使い、密閉した容器では質量が変わらないこと、気体が出ていく・とりこまれる場合は出入りした気体の質量を「反応前の質量 − 反応後の質量」で求められる
前提
中学までに習ったことだけで始められます。
説明
化学変化が起こっても、反応にかかわる物質全体の質量は変化の前と後で変わりません。これを質量保存の法則といいます。この技能を使うと、密閉した容器の中で反応させたときに質量が変わらない理由を説明でき、容器のふたを開けていて気体が出ていったり、空気中の気体がとりこまれたりしたときには、その気体の質量を反応前後の質量の差から求められるようになります。
なぜそうしてよいのか
物質はとても小さな粒（原子）が集まってできています。化学変化では、原子どうしの結びつき方が変わって別の物質ができますが、原子そのものがなくなったり、新しく生まれたりはしません。原子の種類と数が変化の前後で同じなので、それらの質量を全部合わせた「全体の質量」も変わりません。
ふたを閉めた容器（密閉した容器）で反応させると、できた気体も容器の外に出られないので、はかりにのせた全体の質量は反応の前後で同じになります。一方、ふたを開けたまま反応させると、できた気体は空気中へ出ていき、はかりにのらなくなります。このとき質量が減ったように見えますが、減った分はちょうど出ていった気体の質量です。だから「反応前の質量 − 反応後の質量」で出ていった気体の質量がわかります。
逆に、金属を空気中で加熱するときのように、空気中の酸素がとりこまれて結びつく反応では、とりこまれた酸素の分だけ質量が増えます。この場合は「反応後の質量 − 反応前の質量」がとりこまれた気体の質量です。
手順
反応させた容器が密閉されているか、開いているかを確認する
密閉されていれば、全体の質量は反応の前後で変わらない：
開いた容器で気体が出ていくときは、反応前の全体の質量（容器・液・入れた固体などをすべて合計）を求める
反応後の全体の質量をくらべ、出ていった気体の質量を求める：
空気中の気体がとりこまれるときは、とりこまれた気体の質量を求める：
例題
うすい塩酸を入れたビーカー全体の質量をはかると 130.0 g だった。このビーカーに石灰石 2.0 g を入れたところ、気体が発生し、反応が終わったあとにビーカー全体の質量をはかると 131.2 g だった。発生した気体はすべて空気中に出ていったものとする。出ていった気体の質量は何 g ですか。
例題の解答
手順 1：ビーカーにはふたがないので、発生した気体は空気中に出ていく（密閉されていない）。
手順 3：反応前の全体の質量は、ビーカー全体と石灰石の質量を合わせて g。
手順 4：反応後の全体の質量は 131.2 g なので、出ていった気体の質量は
よって、出ていった気体は 0.8 g である。
答え:
よくある誤り
反応前の質量に、あとから入れた固体の質量を足し忘れてしまう誤り（例： として負になる、または気体が出ていないと考える）。正しくは反応前の全体は g で、気体は g
気体が出ていって質量が減ったのを見て「化学変化で質量が失われた」と考えてしまう誤り。正しくは物質全体の質量は変わっておらず、減った g は空気中に出ていった気体の質量である。密閉すれば反応後も g のままになる
密閉した容器で反応させても、気体が発生したから質量が減ると考えてしまう誤り。密閉していれば気体は容器の中に残るので、 で質量は変わらない
金属を加熱して空気中の酸素と結びつける反応で、「反応前 − 反応後」を計算してしまう誤り（例：銅 2.0 g が 2.5 g になったとき ）。とりこまれる場合は g が結びついた酸素の質量
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
この技能を使う問題
うすい塩酸を入れたビーカーと、石灰石の小さなかけらをいっしょに電子てんびんにのせると、全体の質量は であった。次に、石灰石をビーカーの塩酸の中に入れたところ、二酸化炭素が発生した。泡が出なくなってから、ビーカー（中身をふくむ）の質量をはかると であった。
発生した二酸化炭素はすべて空気中に出ていき、ビーカーから出ていったものは二酸化炭素だけであったとする。また、実験をしたときの温度と圧力では、二酸化炭素の密度は であったとする。
発生した二酸化炭素の体積は何 ですか。
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 であった。このビーカーに炭酸水素ナトリウム 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 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 ）に、炭酸水素ナトリウム 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。
うすい硫酸と塩化バリウム水溶液を混ぜると、白い沈殿（硫酸バリウム）ができる。この反応では気体は発生しない。
ビーカー にうすい硫酸を入れ、ビーカー 全体の質量をはかると であった。また、ビーカー に塩化バリウム水溶液を入れ、ビーカー 全体の質量をはかると であった。
ビーカー の塩化バリウム水溶液をすべてビーカー に注いだところ、白い沈殿ができた。このあと、空になったビーカー の質量をはかると であった。反応が終わったあとのビーカー 全体（ビーカー・水溶液・沈殿を合わせたもの）の質量は何 g ですか。ただし、ビーカー に水溶液は残らず、水の蒸発は無視できるものとする。
水酸化ナトリウムを少しとかした水を電気分解装置に入れて電流を流すと、水が分解して、陰極から水素、陽極から酸素が発生する。しばらく電流を流したところ、水が 分解し、発生した水素の質量は であった。
このとき発生した酸素の質量は何 g ですか。ただし、水酸化ナトリウムは変化せず、分解した水からは水素と酸素だけができるものとする。
石灰石（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。この反応を使って、次の実験を行った。
実験 1: ペットボトルにうすい塩酸を入れ、石灰石 を塩酸にふれないように入れて、ふたを閉めた。ふたを含めた全体の質量をはかると であった。次に、ふたを閉めたままペットボトルをかたむけて石灰石と塩酸を反応させた。気体が発生しなくなってから全体の質量をはかると であった。その後、ふたをゆっくり開けてしばらく置き、再びふたを含めた全体の質量をはかると であった。
実験 2: 実験 1 と同じ質量のペットボトル・ふたと、実験 1 と同じ量のうすい塩酸を用意し、石灰石の質量だけを に変えて、実験 1 と同じ操作を行った。
ただし、石灰石はすべて炭酸カルシウムでできており、どちらの実験でも塩酸は十分な量があって石灰石はすべて反応したものとする。また、ふたを開けると発生した二酸化炭素はすべてペットボトルの外に出ていき、それ以外の物質は外に出ないものとし、二酸化炭素が水にとけることは考えないものとする。
実験 2 で、ふたを開けてしばらく置いたあとの、ふたを含めた全体の質量は何 g ですか。
気体の発生と、その体積・質量について調べるために、次の実験を行った。
【実験1】石灰石 を、じゅうぶんな量のうすい塩酸が入ったビーカーに入れた。発生した二酸化炭素はすべて空気中に出ていき、反応が終わったあと、ビーカー全体の質量ははじめより 減っていた。
【実験2】実験1と同じ石灰石 を、じゅうぶんな量のうすい塩酸と反応させて二酸化炭素を発生させた。また、別の装置で、うすい過酸化水素水（オキシドール）に二酸化マンガンを加えて酸素を発生させた。発生した二酸化炭素と酸素は、はじめに中の空気をすべてぬいておいた 1 つのポリエチレンの袋にすべて集めた。袋の中の気体の体積は であった。また、2 つの装置の質量の減少量の合計は であった。
実験を行った温度と圧力では、二酸化炭素の密度を 、酸素の密度を とする。また、それぞれの装置の質量の減少量は、その装置から発生した気体の質量に等しく、発生した気体はすべて袋に集まったものとする。装置内にもとからあった空気や水蒸気の影響は考えないものとする。
実験2で用いた石灰石の質量 は何 g 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 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。
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 と炭素 をよく混ぜて加熱したところ、酸化銅と炭素はどちらも過不足なく反応し、試験管には銅 だけが残った。
実験 2: 酸化銅 に、質量のわからない炭素の粉末を混ぜて加熱した。反応が終わったとき、炭素はすべて反応してなくなっており、試験管に残った固体の質量は であった。
実験 2 で試験管に残った固体のうち、銅の質量は何 g ですか。
ただし、発生した気体はすべて試験管の外に出ていき、炭素は酸化銅の酸素とだけ反応するものとします。また、反応する物質と生じる物質の質量の比は、つねに実験 1 と同じであり、できた銅は空気中の酸素と反応しないものとします。
過酸化水素水（オキシドール）に二酸化マンガンを加えると、過酸化水素が分解して酸素が発生する。この反応について、次の実験 1、2 を行った。
実験 1 質量パーセント濃度が の過酸化水素水 を入れたビーカーと、二酸化マンガン をのせた薬包紙を電子てんびんにのせ、全体の質量をはかった。次に、二酸化マンガンをビーカーに入れ、気体が発生しなくなってから、薬包紙もいっしょに電子てんびんにのせて全体の質量をはかると、はじめより 小さくなっていた。
実験 2 濃度がわからない過酸化水素水 を三角フラスコに入れ、二酸化マンガンを加えて、発生した酸素をすべて水上置換法で集めたところ、その体積は であった。
二酸化マンガンは反応の前後で変化せず、過酸化水素はすべて分解するものとする。質量が減ったのは発生した酸素がすべて空気中に出ていったためであり、発生した酸素の質量は分解した過酸化水素の質量に比例するものとする。実験 2 で集めた には、はじめに装置内にあった空気はふくまれず、酸素は水にとけないものとする。また、実験 2 で酸素を集めたときの温度・圧力での酸素の密度を とする。
実験 2 で使った過酸化水素水の質量パーセント濃度は何 % ですか。
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 を入れ、ビーカー全体の質量をはかると 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 、、、、 と変えて、それぞれ新しく同じ塩酸 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 、、、、 であった。
実験 2: 実験 1 と同じ濃度の塩酸 をビーカーに入れ、ビーカー全体の質量をはかると であった。このビーカーに、細かくくだいた卵の殻 を加えたところ、反応後のビーカー全体の質量は 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 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 必要ですか。
この技能の次に学べること
- 気体の質量と体積 （中学理科 身のまわりの物質）
- 結びつく物質の質量の比 （中学理科 化学変化と原子・分子）