銅の粉末を空気中で加熱すると、銅が酸素と結びついて酸化銅ができます。このとき、銅と結びつく酸素の質量の比は です。
銅の粉末 をステンレス皿に入れて加熱し、途中で加熱をやめて冷ましてから質量をはかったところ、皿の上の物質の質量は でした。このとき、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、質量が増えたのは銅が酸素と結びついたためだけであるとします。
途中でやめた反応の残りの量
加熱を途中でやめたときの質量の増加（または減少）から、反応した物質の質量を比例で求め、反応せずに残った物質や生じた物質の質量を求められる
前提
- 結びつく物質の質量の比 （中学理科 化学変化と原子・分子）
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- 質量保存の法則 （中学理科 化学変化と原子・分子）
- 結びつく物質の質量の比 （中学理科 化学変化と原子・分子）
説明
金属の粉末を加熱すると酸素と結びついて質量が増えますが、加熱を途中でやめると、一部の金属は酸素と結びつかずにそのまま残ります。この技能を使うと、加熱の前後の質量の差から結びついた酸素の質量を求め、そこから実際に反応した金属の質量、反応せずに残った金属の質量、できた酸化物の質量を求められます。加熱を途中でやめた実験や、炭酸水素ナトリウムの分解のように質量が減る反応を途中でやめた実験で使います。
なぜそうしてよいのか
銅を加熱したとき、増えた質量はどこから来たのでしょうか。質量保存の法則から、容器の外から入ってきたのは空気中の酸素だけなので、増えた質量はそのまま「銅と結びついた酸素の質量」です。たとえば 2.0 g の銅が 2.3 g になったなら、結びついた酸素は g です。
一方、銅と酸素は銅：酸素 の質量の比で結びつきます。酸素 0.3 g と結びついた銅は、比から g と決まります。つまり、はじめの銅 2.0 g のうち反応したのは 1.2 g だけで、残りの g は銅のまま残っています。加熱後の物質は「できた酸化銅」と「反応しなかった銅」がまざったものだと考えるのがポイントです。
質量が減る反応（気体が出ていく分解など）でも考え方は同じで、減った質量が「出ていった気体の質量」になり、それと反応した物質の質量が比で決まります。
手順
加熱の前後の質量の差を求める。質量が増えたときは、その差が結びついた酸素の質量になる（減ったときは、出ていった気体の質量になる）。
結びつく質量の比（例: 銅：酸素 ）を使い、その酸素の質量から実際に反応した金属の質量を求める（例: 酸素 g と反応した銅は g）。
反応せずに残った金属の質量を「はじめの金属の質量 − 反応した金属の質量」で求める。
できた酸化物の質量が必要なら「反応した金属の質量 + 結びついた酸素の質量」で求める。加熱後の全体の質量は「できた酸化物 + 残った金属」になっていることで確かめる。
例題
銅の粉末 2.0 g をステンレス皿に入れて加熱したが、途中で加熱をやめたところ、皿の上の物質の質量は 2.3 g になった。銅と酸素は、銅：酸素 の質量の比で結びつくものとする。反応せずに残った銅の質量は何 g か求めよ。
例題の解答
手順 1: 加熱の前後で質量は g 増えた。これが銅と結びついた酸素の質量である。
手順 2: 銅：酸素 なので、酸素 0.3 g と結びついた銅の質量は g である。
手順 3: 反応せずに残った銅の質量は g である。
手順 4（確かめ）: できた酸化銅は g で、残った銅 0.8 g と合わせると g となり、加熱後の質量に一致する。
答え:
よくある誤り
加熱後の質量 2.3 g をそのまま酸素の質量や酸化銅の質量としてしまう誤り。正しくは、増えた分 g が結びついた酸素の質量で、2.3 g は酸化銅と残った銅の合計である。
増えた質量に比を逆にかけてしまう誤り。酸素 0.3 g と結びついた銅を g とするのは誤り。正しくは銅：酸素 なので、銅は酸素の 4 倍で g である。
はじめの銅が全部反応したと考えてしまう誤り。銅 2.0 g が全部反応すれば酸素は g 結びつき 2.5 g になるはずだが、実際は 2.3 g なので反応は途中で止まっている。正しくは、実際に増えた 0.3 g から反応した銅 1.2 g を求める。
反応した銅の質量を、残った銅の質量と取り違える誤り。比から求めた 1.2 g は反応した銅の質量であり、残った銅は g である。
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
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 、、 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 、、 であった。
実験 2: 銅の粉末 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 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。
マグネシウムの粉末を空気中で加熱する実験を行った。
実験 1: マグネシウムの粉末 を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ところ、皿の上の物質（酸化マグネシウム）の質量は になった。
実験 2: 別のマグネシウムの粉末 をステンレス皿にのせて加熱したが、途中で加熱をやめたところ、皿の上の物質の質量は であった。
実験 2 で、酸素と結びつかずに残っているマグネシウムは何 g ですか。
ただし、マグネシウムは空気中の酸素とだけ結びつき、マグネシウムと酸素は、つねに実験 1 で求められる一定の質量の比で結びつくものとします。また、皿の質量は変化しないものとし、皿の上の物質の質量には皿の質量をふくめないものとします。
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。
炭酸水素ナトリウムを加熱すると、炭酸ナトリウム・水・二酸化炭素に分解する。この反応について、次の実験を行った。ただし、発生した水と二酸化炭素はすべて試験管の外に出ていき、試験管内には固体だけが残るものとする。
実験 1: 炭酸水素ナトリウム を試験管に入れ、質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、試験管内に残った固体（炭酸ナトリウム）の質量は であった。
実験 2: 炭酸水素ナトリウム を別の試験管に入れて加熱し、途中で加熱をやめたところ、試験管内に残った固体の質量は であった。このとき、試験管内の固体は、まだ分解していない炭酸水素ナトリウムと、分解してできた炭酸ナトリウムの混合物であった。
実験 2 で加熱をやめたとき、試験管内の固体にふくまれていた炭酸ナトリウムの質量は何 g ですか。
銅の粉末を空気中で加熱する実験を行った。
実験 1: 銅の粉末 をステンレス皿にうすく広げてのせ、質量が変化しなくなるまでくり返し加熱したところ、銅はすべて酸化銅になり、皿の上の物質の質量は になった。
実験 2: 銅の粉末 をステンレス皿にのせて加熱したが、加熱の時間が短かったため、一部の銅が酸化されずに残った。加熱後の皿の上の物質（銅と酸化銅の混合物）の質量は であった。
実験 2 の加熱後の皿の上の物質 のうち、酸化銅の質量は何 g ですか。ただし、加熱して増えた質量は、銅と結びついた酸素の質量であり、銅と結びつく酸素の質量の比は、酸化された銅の量によらず実験 1 と同じであるものとする。
酸化銅を水素の中で加熱すると、酸化銅は水素によって還元されて銅になり、水ができる。この反応を使って、次の実験を行った。ただし、できた水はすべて気体となって外に出ていき、加熱した皿の上には固体だけが残るものとする。
実験 1: 酸化銅 を水素の中で、質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、酸化銅はすべて銅になり、残った銅の質量は であった。
実験 2: 銅の粉末と酸化銅の粉末がまざった混合物 を、実験 1 と同じように水素の中で質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、酸化銅はすべて銅になり、残った銅の質量は であった。
実験 2 の混合物 にふくまれていた銅（はじめから銅であったもの）の質量は何 g ですか。ただし、はじめから混合物にふくまれていた銅は、水素の中で加熱しても変化しないものとする。
炭酸水素ナトリウムを加熱すると、炭酸ナトリウム・水・二酸化炭素に分解する。一方、炭酸ナトリウムは、この実験で行う程度の加熱では変化しない。これらの物質を使って、次の実験を行った。ただし、発生した水と二酸化炭素はすべて試験管の外に出ていき、試験管内には固体だけが残るものとする。
実験 1: 炭酸水素ナトリウム を試験管に入れ、質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、試験管内に残った炭酸ナトリウムの質量は であった。
実験 2: 炭酸水素ナトリウムと炭酸ナトリウムがまざった白い粉末 を試験管に入れ、質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、試験管内に残った固体の質量は であった。
実験 2 で使った粉末 にふくまれていた炭酸ナトリウムの質量は何 g ですか。
酸化銀を加熱すると、銀と酸素に分解する。この反応について、次の実験を行った。ただし、発生した酸素はすべて試験管の外に出ていき、試験管内には固体だけが残るものとする。
実験 1: 酸化銀 を試験管に入れ、質量が変化しなくなるまで十分に加熱したところ、試験管内には銀だけが残り、その質量は であった。
実験 2: 酸化銀 を別の試験管に入れて加熱し、途中で加熱をやめた。試験管内に残った固体（分解していない酸化銀と、できた銀の混合物）の質量は であった。
実験 2 で分解した酸化銀の質量は、はじめの酸化銀 の何 % ですか。
炭酸水素ナトリウムを加熱すると、炭酸ナトリウム・水・二酸化炭素に分解する。一方、炭酸ナトリウムはこの実験の加熱では変化しない。次の実験を行った。ただし、どの実験でも加熱は質量が変化しなくなるまで行い、発生した水と二酸化炭素はすべて試験管の外へ出ていき、試験管に残るのは炭酸ナトリウムだけになるものとする。
実験 1: 炭酸水素ナトリウム を試験管に入れて加熱すると、試験管に残った炭酸ナトリウムの質量は であった。
実験 2: 炭酸水素ナトリウムと炭酸ナトリウムをよく混ぜた混合物 を試験管に入れて加熱すると、試験管に残った物質の質量は であった。
実験 2 で、加熱する前の混合物にふくまれていた炭酸ナトリウムの質量は何 g ですか。