UA-119493607-1 マグネシウムと酸の反応 | らくらく理科教室
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マグネシウムと酸の反応により発生する気体(水素)量の測定:化学基礎実験9回:マグネシウムと塩酸の反応により発生する水素の量を捉えるとこで、化学反応の前後において、質量の総和に変化がないこと、化学反応式の示す物質量の関係が保たれることを確認しました。

化学基礎実験_実験NOTE_No.8:一部掲載

「表 題」

マグネシウムと酸の反応により発生する気体(水素)量の測定

「目 的」

マグネシウムと塩酸の反応により発生する水素の量を捉えるとこで、化学反応の前後において、質量の総和に変化がないこと、化学反応式の示す物質量の関係が保たれることを確認する。

「実験理論」

  • 質量の総和は保たれる:化学反応の前後では、その質量の総和が保たれる(ラボアジェ の[ 質量]保存の法則)。マグネシウムと塩酸との反応においては、塩化マグネシウムと水素が生成するが、反応の前後でその質量の総和は保たれる。

Mg + 2HCl → MgCl2 + [H2 ]↑

これを物質量で捉えなおすと、1molのマグネシウムと2 molの塩化水素が反応して、1 molの塩化マグネシウムと1 molの水素が発生することになる。原子間の[結合 ]が再構成されても、原子単位での質量に変化はない。

  • 発生する水素量の測定:反応物がすべて生成物に変化したと考えて得られる理論的な数値が計算値である。例えば、1 molのマグネシウム(24.3g)からは、1 molの水素4 L(標準状態)が得られることになる。実験では、水素を水上置換で気体として得て、その時の気圧P、水素の体積V、絶対温度T、気体定数Rから物質量n(=m/M)が求まる。

気体の状態方程式:  pV =nRT  

  • 実際にはマグネシウムの純度や反応効率、発生した水素の純度(水蒸気の影響)なども影響して、計算値通りにはいかない。特に、水素を水上置換で捕集するので、水蒸気圧の影響を補正しなければならない。外部の気圧(大気圧 PO )と水蒸気圧( PH2O )、水素の圧力( PH2 )との関係は次の通りである。

PO=PH2O+PH2

「準 備」

精密電子天秤 50 mLビーカー マグネシウムリボン約0.15 g(約10 cm) ハサミ ふたまた試験管 4 mol/L塩酸15 mL 駒込ピペット(10 mL用) L字型気体誘導管 200 mLメスシリンダー 水槽 ライター

「操 作」

  • 精密電子天秤に50 mLのビーカーを置き、マグネシウムリボンの質量を精秤する。→ 記録する
  • ふたまた試験管の一方に4 mol/L塩酸10 mL(駒込ピペット10 mL用)、もう一方にマグネシウムリボンを入れ、試験管たてに置く。
  • L字型気体誘導管をつけ、水槽中に逆さにして水で満たした200 mLメスシリンダー内に導く。
  • ふたまた試験管を傾けて反応を開始、発生した気体を捕集する。
  • 反応が完全に終わったところで、ふたまた試験管を水槽に浸ける。
  • 捕集した気体の体積を測定する。
  • 計測後、シリンダー下部を手で塞ぎながら、捕集した気体にライターで点火する。

「工夫や注意点・片付け等」

  • 誘導管の先は指で押さえて、水が入らないようにしてメスシリンダーへ導く。
  • 体積は反応が落ち着いて、装置全体の温度の影響が少なくなってから測定する。

「工夫や注意点・片付け等」

  • 誘導管の先は指で押さえて、水が入らないようにしてメスシリンダーへ導く。

「観察・結果」

  • 反応装置図:反応の様子など
  • 使用したマグネシウムリボンの質量と得られた気体の体積

m:(   )g   v:(   )mL

  • 捕集した気体に

点火した際の様子

「考 察」

  • 外部の気圧(大気圧PO)と水蒸気圧(PH2O)、水素の圧力(PH2)との関係を実験装置を用いた概念図で描き表しなさい。
  • 実際に得られた気体の体積v mLから、発生した水素の物質量 nH2 を求めなさい。ただし、反応物はすべて化学反応式のとおり完全に反応し、温度27℃、大気圧PO=1.0×105 Pa、水蒸気圧PH2O=1.04×103 Paとする。
  • 使用したマグネシウムの純度を求めなさい。
  • 水上置換法について
  • 水上置換で捕集することが適切である気体の条件は何か?
  • 発生してきた気体の体積測定について
    • いったんふたまた試験管を水槽の水に浸けた理由は何か?
  • メスシリンダーでの計測の注意点を述べなさい。
  • メスシリンダーで捕集した気体には、もともとふたまた試験内に存在していた空気も混入していたが、それは得られた気体の体積に影響をほとんど与えないという。その理由を考察しなさい。

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対(!)にしないで下さい。詳細は、次の3書(管理者の単著作物)でも扱っているものが多いので参考にして下さい。


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