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身の回りには、目に見えないけれど大切なはたらきをしている気体がたくさんあります。私たちが呼吸で取り込む酸素、植物が光合成で取り込む二酸化炭素、空気の約 8 割を占める窒素などです。
この章では、代表的な気体の作り方・性質・集め方を学びます。
ポイント: 「どの気体か分からないものを目の前に出された」とき、においをかぐ・水にとかす・火を近づける・石灰水に通す、といった操作で気体の正体を確かめます。これを気体の同定といいます。
私たちが吸っている空気は、1 種類の気体ではなく、いくつもの気体が混ざった混合物です。
| 気体 | 体積の割合 (約) | はたらき |
|---|---|---|
| 窒素 | 78 % | 反応しにくい。たんぱく質の材料 |
| 酸素 | 21 % | 呼吸・燃焼に必要 |
| アルゴン | 0.9 % | 電球の中などに利用 |
| 二酸化炭素 | 0.04 % | 植物の光合成の材料 |
| その他 | わずか | 水蒸気・ヘリウムなど |
大事: 空気の 5 分の 4 は窒素で、酸素は 5 分の 1 ほどしかありません。それでも私たちが息苦しくないのは、肺が効率よく酸素を血液に取り込んでいるからです。
| 方法 | 何が分かるか |
|---|---|
| におい | アンモニアなど特有のにおい |
| 水へのとけ方 | とけにくい / 少しとける / よくとける |
| 空気と比べた重さ | 空気より軽い / 重い (密度の違い) |
| 石灰水を入れる | 二酸化炭素 があれば白くにごる |
| 火のついた線香を入れる | 酸素 があれば炎を上げて燃える |
| マッチの火を近づける | 水素 があれば「ポンッ」と音を立てて燃える |
| 赤色リトマス紙を近づける | アンモニア があれば青に変わる |
ポイント: においをかぐときは、気体を直接吸い込んではいけません。びんの口に手であおぎ寄せて、少しだけかぐようにします (手であおぐ)。アンモニアや塩素など、強いにおいの気体を直接吸うと体に害があります。
気体を実験で集めるとき、その気体の性質によって集め方を変えます。水上置換法・上方置換法・下方置換法 の 3 つです。
| 集め方 | 仕組み | 適する気体 | 例 |
|---|---|---|---|
| 水上置換法 | 水の入った容器を逆さにし、水と置きかえて集める | 水にとけにくい気体 | 酸素・水素・窒素 |
| 上方置換法 | びんを口を下にして上から集める | 水にとけやすく、空気より軽い気体 | アンモニア |
| 下方置換法 | びんを口を上にして下から集める | 水にとけやすく、空気より重い気体 | 二酸化炭素・塩素 |
| ステップ | 質問 | YES → | NO → |
|---|---|---|---|
| ① | 水にとけにくい？ | 水上置換法 | ② へ |
| ② | 空気より軽い？ | 上方置換法 | 下方置換法 |
大事: 水上置換法 が最も使いやすい方法です。なぜなら、集めた気体の量を目で見て確かめられる (水位を見ればよい) から、空気が混ざりにくい からです。水にとけてしまう気体だけ、しかたなく上方・下方を使います。
二酸化炭素 は水に少しとけますが、それほど多くはとけません。そのため、水上置換法 でも 下方置換法 でも集められます。実験では、量を確かめやすい 水上置換法 を使うことが多いです。
呼吸と燃焼に必要不可欠な気体、それが酸素です。空気中に約 21 % 含まれています。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 色 | 無色 |
| におい | 無臭 |
| 水へのとけ方 | とけにくい |
| 空気と比べた重さ | 少しだけ重い |
| 集め方 | 水上置換法 |
| 特徴的な反応 | 物を激しく燃やす (助燃性) |
大事: 酸素そのものは燃えません。ほかの物が燃えるのを助ける性質 (助燃性) があります。「酸素 = 燃える気体」と誤解しがちですが、燃えるのは水素のほうです。
中学校でよく使う方法は次の 2 つです。
| 方法 | 材料 |
|---|---|
| ① | 二酸化マンガン + オキシドール (うすい過酸化水素水) |
| ② | 二酸化マンガン + うすい過酸化水素水 (同じ仕組み) |
二酸化マンガンは反応を速めるだけで、それ自体は変化しません (このようなはたらきをするものを触媒といいます)。実際に酸素を出しているのは過酸化水素のほうです。
集めた気体に火のついた線香を入れます。炎を上げて激しく燃えれば、その気体は酸素です。
注意: 酸素は燃焼を激しくします。周囲に紙や布、髪の毛など燃えやすい物がないか確認してから線香を入れましょう。長く燃やしすぎると線香が短くなって指を熱くするので、すぐに取り出します。
私たちが息をはくと出てくる気体、それが二酸化炭素です。空気中には約 0.04 % しかありませんが、地球温暖化の主犯としても有名です。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 色 | 無色 |
| におい | 無臭 |
| 水へのとけ方 | 少しとける (水にとけると炭酸水) |
| 空気と比べた重さ | 重い (空気の約 1.5 倍) |
| 集め方 | 水上置換法 または 下方置換法 |
| 特徴的な反応 | 石灰水 を白くにごらせる |
| 方法 | 材料 |
|---|---|
| ① | 石灰石 (または貝がら・卵のから) + うすい塩酸 |
| ② | 重そう (炭酸水素ナトリウム) を加熱 |
石灰石はカルシウムを含む岩石です。塩酸を注ぐと、シュワシュワと泡を出して気体が発生します。この泡が二酸化炭素です。
集めた気体に石灰水を入れて、よく振ります。白くにごれば、その気体は二酸化炭素です。
大事: 石灰水は水酸化カルシウムの水溶液です。二酸化炭素と反応して、炭酸カルシウム (水にとけない白い粉) ができるため、白くにごって見えます。これは中学校で最もよく出る化学反応の 1 つです。
二酸化炭素を水にとかしたものが炭酸水です。サイダーやコーラの「シュワシュワ」は、とけきれなくなった二酸化炭素が泡となって出てくるためです。炭酸水は弱い酸性を示し、青色リトマス紙を赤く変えます。
宇宙で最も多く存在する元素、それが水素です。最も軽い気体としても知られ、かつては飛行船の浮力源として使われていました。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 色 | 無色 |
| におい | 無臭 |
| 水へのとけ方 | とけにくい |
| 空気と比べた重さ | 最も軽い (空気の約 14 分の 1) |
| 集め方 | 水上置換法 |
| 特徴的な反応 | 燃えると水になる |
| 方法 | 材料 |
|---|---|
| ① | 亜鉛 (または鉄・マグネシウム) + うすい塩酸 |
| ② | アルミニウム + うすい塩酸 |
金属に酸を加えると、金属がとけて水素が発生します。このとき試験管がほんのり熱くなります (発熱反応)。
水素を集めた試験管の口にマッチの火を近づけます。「ポンッ」と音を立てて燃え、試験管の内側が水てきでくもれば、その気体は水素です。
注意: 水素は引火性があり、空気と混ざった状態で火を近づけると爆発的に燃えます。実験ではごく少量だけ集めて確かめます。大量の水素を一度に燃やしてはいけません。また、周囲に火気がないことを必ず確認してから作業します。
水素は燃えると水になるだけで、二酸化炭素 を出しません。そのため、地球温暖化の対策として、ガソリンの代わりに水素を燃料にする「燃料電池自動車」が開発されています。
つんとした強いにおいで知られる気体、それがアンモニアです。トイレの掃除用洗剤や、肥料の原料として使われています。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 色 | 無色 |
| におい | 刺激臭 (つんとした強いにおい) |
| 水へのとけ方 | 非常によくとける |
| 空気と比べた重さ | 軽い (空気の約 0.6 倍) |
| 集め方 | 上方置換法 |
| 特徴的な反応 | 水溶液はアルカリ性 |
塩化アンモニウム と 水酸化カルシウム を混ぜて加熱すると、アンモニアが発生します。試験管の口を少し下げて加熱するのがコツです (発生した水が試験管の底に流れこんで割れるのを防ぐため)。
| 方法 | 結果 |
|---|---|
| におい | 強い刺激臭 (手であおいでかぐ) |
| 湿らせた赤色リトマス紙 | 青色に変わる (アルカリ性) |
| 水を入れたフラスコの噴水実験 | フラスコ内のアンモニアが水にとけて、気圧が下がり水が吸い上げられて噴水になる |
大事: アンモニアの噴水実験は、「アンモニアは水によくとける」「アンモニア水はアルカリ性」の 2 点を同時に示せる、見ごたえのある実験です。フェノールフタレイン液を入れた水を吸い上げると、フラスコ内が赤色に変わります。
| 気体 | 性質 | 集め方 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 窒素 | 無色無臭。水にとけにくい。反応しにくい | 水上置換法 | 食品の酸化防止・タイヤの充填 |
| 塩素 | 黄緑色。刺激臭。水にとける。空気より重い | 下方置換法 | 水道水の消毒・漂白剤 |
| 塩化水素 | 無色。刺激臭。水によくとける (= 塩酸)。空気より重い | 下方置換法 | 塩酸として工業用途 |
| 硫化水素 | 無色。卵の腐ったにおい。空気より重い | 下方置換法 | (有毒、火山ガスや温泉) |
注意: 塩素・塩化水素・硫化水素はいずれも有毒な気体です。中学校では原則として教師が演示するか、ごく少量で扱います。生徒が直接吸い込むことのないよう、必ず換気のよい場所で実験します。
実験で 4 種類の気体 (酸素・水素・二酸化炭素・アンモニア) のうちどれかを当てるテストがよく出ます。順序立てて調べる方法を覚えましょう。
| 順序 | 操作 | 反応 | 結論 |
|---|---|---|---|
| ① | においをかぐ (手であおぐ) | 刺激臭がある | アンモニアと判定 |
| ② | (においが無ければ) 火のついた線香を入れる | 激しく燃える | 酸素と判定 |
| ③ | (燃えなければ) マッチの火を近づける | ポンッと音がして燃える | 水素と判定 |
| ④ | (反応なければ) 石灰水を入れて振る | 白くにごる | 二酸化炭素と判定 |
ポイント: 「におい → 線香 → マッチ → 石灰水」の順で調べると、4 種類の気体を確実に区別できます。順序を変えると、たとえば水素と酸素を取り違えて爆発につながる危険があるので注意しましょう。
| ルール | 理由 |
|---|---|
| 必ず換気する | 有毒な気体や酸欠を防ぐ |
| においは手であおいでかぐ | 直接吸い込むと有害なことがある |
| 火気の近くで水素を扱わない | 引火・爆発の危険 |
| 酸素のそばに燃えやすい物を置かない | 激しく燃え広がる |
| 加熱した試験管をすぐ触らない | やけどの危険 |
| 塩素・アンモニアなどは少量で | 強い刺激で気管支を傷める |
| 薬品が手についたら大量の水で洗う | 皮ふへのダメージを最小化 |
| 保護めがねを着用 | 飛び散りから目を守る |
大事: 気体は目に見えません。「反応しているのか、終わったのか」が分かりにくいので、集めた量・経過時間を必ず記録しながら進めます。「もう発生は止まったかな」と顔を近づけて確かめるのは絶対にやめましょう。
| 状況 | 対応 |
|---|---|
| 強いにおいで気分が悪い | すぐに窓を開けて新鮮な空気を吸う |
| 薬品が目に入った | すぐに大量の水で 15 分以上洗う |
| 試験管が割れた | 素手で触らず、ピンセットで集める |
| 引火した | 濡れぞうきんでおおって酸素を断つ |
この章で学んだことを確かめましょう。
次の章: 第 7 章では、気体に続いて液体の世界、水溶液 を学びます。砂糖水や食塩水の中で、目に見えない粒がどう動いているのかを考えます。