水に溶けにくい気体の捕集法「水上置換法」を元塾講師がわかりやすく解説

ライター／Ayumi

理系出身の元塾講師。わかるから面白い、面白いからもっと知りたくなるのが化学！まずは身近な例を使って楽しみながら考えさせることで、多くの生徒を志望校合格に導いた。

1.水上置換法とは

水上置換法は水を使った気体の捕集方法です。

大きめの水槽に水を入れ、気体を集めるための捕集びんや試験管も水中に沈め、容器の中に空気が入っていないことを確認します。この状態で気体を発生させる実験を開始し、気体が発生し始めてから少し経った時点で容器に気体を集めていく方法です。

初めに出てくる気体は実験装置内にもともと入っている空気なので、それが装置内からある程度出ていったことを確認する必要があります。この手順を踏んでも必ずしも空気等の混入がゼロになるとはいえないものの、実験を水中で行うことで空気と遮断されることもあり、より実験の精度は高くなるのです。

2.捕集する気体の条件を考える

この水上置換法が使える気体の性質による条件はただ1つです。

水方置換法を用いる気体の条件

水に溶けにくい気体であること

この方法は図を見てもわかるように、水で満たされた容器の中に気体を集めていく方法です。つまり、気体は必ず水の中を通り、水と接することになります。

水に溶けやすい気体の場合、水の中を通る過程で溶け込んでしまう可能性があるのです。当然容器の中に気体は集まらず、それでは実験になりませんよね。そのため、水に溶けにくい気体であることがただ1つの条件ではありますが、非常に重要な条件といえます。

ご心配なく！水に溶けやすい気体を集めるための方法があと2つありますよ。それについては次回解説していきますね。

3.水上置換法の実験例

それでは、実際にどんな実験でどの気体を発生させた場合に使うことができるのか見ていきましょう。様々な気体に使える方法ではありますが、ここでは代表的な3つの気体について詳しく説明します。

3-1.水素

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水素を発生させる実験は2つあります。

1つめは金属と塩酸を反応させる方法です。ここでは鉄を例にとって化学式を考えてみましょう。

Fe ＋ 2HCl →FeCl₂ ＋ H₂

溶液に金属を入れて水素が反応すればその溶液は酸性である、という証明にも使われる実験ですよね。

2つめはナトリウムに水を反応させるという方法があります。

2Na ＋ 2H₂O → 2NaOH ＋ H₂

爆発を伴い、強アルカリ性の水酸化ナトリウムを生成する実験なので、水上置換法のために行う実験としては不向きでしょう。

集めた気体が水素であるかを確認するには、火のついた線香を気体に近付け、ポンと音が鳴るかどうかを見るという方法がありますね。

3-2.酸素

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酸素の発生方法は2つ覚えておくといいでしょう。

1つめは二酸化マンガンにオキシドール(薄い過酸化水素水)を加える方法です。

このとき、二酸化マンガンは反応を手助けする触媒としてはたらくため、実際に反応する過酸化水素の化学反応式になります。

2H₂O₂ → 2H₂O ＋ O₂

2つめは、1つめ同様に二酸化マンガンを触媒とし、塩素酸カリウムを熱分解する方法です。余裕がテストでは1つめの方法が頻出ですが、余裕がある人は覚えておきましょう。

2KClO₃ → 2KCl ＋ 3O₂

集めた気体が酸素である場合、火のついた線香を気体に近付け、炎が大きくなることで確認できますね。

3-3.二酸化炭素

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二酸化炭素を発生させる方法は、石灰石に薄い塩酸を加えるというものです。

CaCO₃ ＋ 2HCl → CaCl₂ ＋ H₂O ＋ CO₂

また、炭酸水を加熱したり、ドライアイスが昇華する際に発生する二酸化炭素を集めてもいいでしょう。

集めた気体が二酸化炭素であることを確認する方法としては、石灰水を用いるものがありますね。二酸化炭素が反応して透明な石灰水が白濁する反応を利用したものです。

ここでその反応を化学反応式で見てみましょう。

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

石灰水中の水酸化カルシウムが二酸化炭素と反応し、炭酸カルシウムが生成することによって白濁液になるということがわかりますね。

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そうですね。コーラやサイダーなどの炭酸はこの二酸化炭素由来のものです。しかし、このような実験で水に溶けてしまう量はごくわずかで、実験に支障が出るほどではありません。仮に捕集できる量が減ってしまったとしても、より純度の高い二酸化炭素を集めるには水上置換法でも全く問題ないのです。

しかし二酸化炭素の持つある特徴を使って、別の捕集方法によって集めることもできますよ。その方法については次回詳しく説明しますね。

3-4.その他の気体

その他にも窒素や一酸化炭素、一酸化窒素などの捕集にも広く使うことができます。

水上置換法は生成した気体を容器の中だけに閉じ込めることができる方法です。水に溶けにくいことが条件ですから、水に溶け込むことで結果的に容器から気体が漏れ出すということもありませんよね。そのため人体に影響の出やすい有害・有毒な気体や引火性のの高い気体など、危険性のある気体の捕集法としても適していることを理解しておきましょう。