実験 / experiment_inorganic

気体の発生と性質の実験

O₂、H₂、CO₂、NH₃、Cl₂、HCl、SO₂など、代表的な気体の発生方法・捕集法・性質・検出法をまとめた実験教材です。水上置換、上方置換、下方置換の違いを模式図で確認します。

実験教材

難易度：標準目安：45分

# 実験 # 無機化学 # 気体発生 # 捕集法 # 検出法

この教材で学ぶこと

到達目標

代表的な気体の発生反応を説明できる
水上置換・上方置換・下方置換を使い分けられる
気体の性質と検出法を対応させられる
有毒気体や刺激臭のある気体の安全上の注意を説明できる

前提知識

無機化学の気体製法まとめ
酸・塩基
酸化還元
塩素・塩化水素・塩化物
アンモニア・アンモニウム塩

図・写真

※スマホで画像が見づらい場合は、画像を拡大表示するか、別タブで開くと確認しやすいです。

水上置換で気体を集める模式図 — 水上置換は、水に溶けにくい気体を集める方法です。O₂やH₂などで使われます。

上方置換で気体を集める模式図 — 上方置換は、空気より軽く、水に溶けやすい気体を集める方法です。NH₃の捕集でよく使われます。

下方置換で気体を集める模式図 — 下方置換は、空気より重い気体を集める方法です。CO₂、HCl、Cl₂、SO₂などで使われます。

実験情報

目的

代表的な気体を発生させ、その性質や検出法、捕集法の違いを理解する。

原理

気体の捕集法は、水への溶けやすさと空気に対する密度によって決まる。水に溶けにくい気体は水上置換、水に溶けやすく空気より軽い気体は上方置換、水に溶けやすく空気より重い気体は下方置換で集める。

器具

試験管
ゴム栓
ガラス管
水槽
集気びん
スポイト
保護メガネ

試薬

過酸化水素水
二酸化マンガン
亜鉛
希塩酸
炭酸カルシウム
塩化アンモニウム
水酸化カルシウム
さらし粉または酸化マンガン(IV)
濃塩酸
亜硫酸ナトリウム

手順

保護メガネを着用し、使用する気体に応じて換気を十分に行う。
発生させる気体の性質を確認し、適切な捕集法を選ぶ。
O₂やH₂のように水に溶けにくい気体は、水上置換で集める。
NH₃のように水に溶けやすく空気より軽い気体は、上方置換で集める。
CO₂やHClのように空気より重い気体は、下方置換で集める。
発生した気体を、それぞれの検出法で確認する。
有毒気体や刺激臭のある気体は、少量で扱い、直接においをかがない。
観察結果を表にまとめ、発生反応・捕集法・検出法を対応させる。

観察結果

試料	結果
O₂	火のついた線香を近づけると燃焼が激しくなる
H₂	火を近づけるとポンという音を立てて燃える
CO₂	石灰水を白くにごらせる
NH₃	湿った赤色リトマス紙を青色にする
Cl₂	黄緑色。有色物質を漂白する。湿った青色リトマス紙を赤変後に漂白する
HCl	湿った青色リトマス紙を赤色にする。NH₃と白煙を生じる
SO₂	刺激臭。有色物質を漂白し、還元性を示す

安全上の注意

保護メガネを必ず着用する。
H₂は可燃性が高いため、火気の扱いに注意する。
Cl₂、HCl、SO₂、NH₃は刺激臭や有毒性があるため、直接においをかがない。
有毒気体を扱う場合は、ドラフト内または十分に換気された場所で行う。
試験管の口を人に向けない。
反応が激しくなりすぎないよう、試薬は少量ずつ加える。

廃液・廃棄

酸や塩基を含む廃液は、指示された廃液容器に入れる。
重金属や酸化剤を含む廃液は、通常の流しに捨てない。
有毒気体を発生させた器具は、教員や実験指導者の指示に従って処理する。

早覚え表

印刷・PDF保存・CSVダウンロードに対応しています。

代表的な気体の発生・捕集・検出

気体	発生反応の例	捕集法	検出法・性質
O₂	2H₂O₂ → 2H₂O + O₂	水上置換	火のついた線香の燃焼が激しくなる
H₂	Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂	水上置換	火を近づけるとポンと燃える
CO₂	CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O	下方置換	石灰水を白くにごらせる
NH₃	2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O	上方置換	湿った赤色リトマス紙を青色にする
Cl₂	MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O	下方置換	黄緑色。漂白作用がある
HCl	NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl	下方置換	湿った青色リトマス紙を赤色にする
SO₂	Na₂SO₃ + 2HCl → 2NaCl + SO₂ + H₂O	下方置換	刺激臭。漂白作用・還元性

捕集法の選び方

捕集法	使う条件	代表例	注意点
水上置換	水に溶けにくい	O₂, H₂	水に溶けやすい気体には不向き
上方置換	空気より軽く、水に溶けやすい	NH₃	気体が上にたまる
下方置換	空気より重い	CO₂, HCl, Cl₂, SO₂	有毒気体では換気が重要

覚え方・暗記ポイント

O₂とH₂は水に溶けにくいので水上置換。

NH₃は水に非常によく溶け、空気より軽いので上方置換。

CO₂、HCl、Cl₂、SO₂は空気より重いので下方置換。

CO₂は石灰水、NH₃は赤色リトマス紙、HClは青色リトマス紙で確認。

Cl₂、HCl、SO₂、NH₃は直接においをかがない。

1 気体の捕集法を決める考え方 2 代表的な気体の検出法

1 気体の捕集法を決める考え方

気体の捕集法は、水への溶けやすさと空気に対する密度で決まります。

水に溶けにくい気体なら、水上置換で集めることができます。

水に溶けやすい気体の場合は、水上置換では集めにくいため、空気より軽いか重いかで上方置換・下方置換を使い分けます。

捕集法の判断

条件	選ぶ捕集法	例
水に溶けにくい	水上置換	O₂, H₂
水に溶けやすく、空気より軽い	上方置換	NH₃
空気より重い	下方置換	CO₂, HCl, Cl₂, SO₂

確認ポイント

捕集法を水への溶けやすさから判断できる
空気より軽いか重いかで上方置換・下方置換を区別できる
代表的な気体と捕集法を対応させられる

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2 代表的な気体の検出法

気体の検出では、色、におい、リトマス紙の変化、石灰水の変化、燃焼の様子などを観察します。

ただし、刺激臭や有毒性のある気体を直接かぐのは危険です。必要な場合でも、手で軽くあおいで少量だけ確認します。

高校化学では、発生反応式、捕集法、検出法をセットで覚えることが重要です。

酸素の発生

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

二酸化マンガンは触媒として働きます。

水素の発生

Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂

水素は可燃性があるため、火の扱いに注意します。

二酸化炭素の発生

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

CO₂は石灰水を白くにごらせます。

アンモニアの発生

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

NH₃は塩基性で、湿った赤色リトマス紙を青色にします。