この教材で学ぶこと
到達目標
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代表的な気体の実験室的製法を反応式で説明できる
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気体の性質に応じて捕集法を選べる
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酸素・水素・二酸化炭素・アンモニアなどの検出法を説明できる
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水に溶けやすい気体と溶けにくい気体を区別できる
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有毒な気体を扱うときの注意点を説明できる
前提知識
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酸素・オゾン・過酸化水素
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アンモニア・アンモニウム塩
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塩素・塩化水素・塩化物
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硫黄酸化物と酸性雨
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酸・塩基
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酸化還元
1
気体製法まとめの考え方
無機化学では、さまざまな気体の製法が出題されます。
大切なのは、単に反応式を暗記するだけでなく、発生する気体の性質、捕集法、検出法をセットで覚えることです。
たとえば、酸素は水に溶けにくいので水上置換で集められます。
一方、アンモニアや塩化水素は水に非常によく溶けるため、水上置換では集められません。
気体ごとの特徴を表で整理すると、問題でかなり使いやすくなります。
気体製法で見るポイント
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見るポイント
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内容
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発生反応
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どの物質から何の気体が出るか
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捕集法
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水に溶けやすいか、空気より重いか軽いか
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検出法
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その気体特有の確認方法
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色・におい
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無色か、有色か、刺激臭があるか
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安全性
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有毒か、可燃性か、刺激性があるか
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確認ポイント
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気体製法では反応式・捕集法・検出法をセットで覚えることを理解している
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水への溶けやすさが捕集法に関係することを説明できる
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有毒な気体では安全面も重要であることを理解している
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2
気体の捕集法
気体の捕集法には、水上置換、上方置換、下方置換があります。
水に溶けにくい気体は、水上置換で集めることができます。
空気より軽く、水に溶けやすい気体は、上方置換で集めます。
空気より重く、水に溶けやすい気体は、下方置換で集めます。
捕集法を選ぶときは、水への溶けやすさと空気との密度の比較を考えます。
捕集法の基本
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捕集法
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使う気体の特徴
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代表例
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水上置換
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水に溶けにくい
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O₂、H₂、CO₂
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上方置換
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空気より軽い・水に溶けやすい
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NH₃
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下方置換
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空気より重い・水に溶けやすい
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HCl、Cl₂など
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代表的な気体の捕集法
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気体
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水への溶けやすさ
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空気との比較
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主な捕集法
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O₂
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溶けにくい
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空気よりやや重い
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水上置換
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H₂
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溶けにくい
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空気より軽い
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水上置換
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CO₂
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少し溶ける
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空気より重い
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水上置換または下方置換
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NH₃
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非常によく溶ける
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空気より軽い
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上方置換
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HCl
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非常によく溶ける
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空気より重い
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下方置換
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Cl₂
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水にある程度溶ける
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空気より重い
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下方置換
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確認ポイント
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水上置換・上方置換・下方置換の違いを説明できる
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NH₃を上方置換で集める理由を説明できる
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HClを下方置換で集める理由を説明できる
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3
酸素 O₂ の製法
酸素 O₂ は、過酸化水素水 H₂O₂ を分解することで発生させることができます。
このとき、二酸化マンガン MnO₂ を触媒として使います。
MnO₂は反応を速めますが、反応の前後で消費されません。
酸素は水に溶けにくいため、水上置換で集めます。
酸素は火のついた線香を激しく燃えさせることで検出できます。
酸素の実験室的製法
2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
MnO₂を触媒として用いると酸素が発生します。
酸素の製法まとめ
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項目
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内容
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原料
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過酸化水素水 H₂O₂
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触媒
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二酸化マンガン MnO₂
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発生する気体
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酸素 O₂
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捕集法
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水上置換
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検出法
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火のついた線香が激しく燃える
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例題：酸素の発生に使う触媒は何か。
答え：二酸化マンガン MnO₂
MnO₂はH₂O₂の分解を速め、酸素を発生させます。
確認ポイント
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酸素の製法の反応式を書ける
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MnO₂が触媒であることを説明できる
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酸素の検出法を説明できる
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4
水素 H₂ の製法
水素 H₂ は、亜鉛 Zn などの金属に希塩酸や希硫酸を加えることで発生させることができます。
水素は無色・無臭の気体で、水に溶けにくく、空気より非常に軽いです。
水素は水に溶けにくいため、水上置換で集めることができます。
水素は可燃性の気体で、火を近づけるとポンという音を立てて燃えます。
水素の検出では、この燃焼音が重要です。
亜鉛と塩酸
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂
亜鉛と塩酸の反応で水素が発生します。
亜鉛と希硫酸
Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂
亜鉛と希硫酸の反応でも水素が発生します。
水素の製法まとめ
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項目
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内容
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原料
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Znと希塩酸、またはZnと希硫酸
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発生する気体
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水素 H₂
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捕集法
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水上置換
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検出法
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火を近づけるとポンと音を立てて燃える
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注意点
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可燃性がある
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確認ポイント
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水素の製法の反応式を書ける
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水素を水上置換で集められる理由を説明できる
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水素の検出法を説明できる
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5
二酸化炭素 CO₂ の製法
二酸化炭素 CO₂ は、炭酸カルシウム CaCO₃ に塩酸 HCl を加えることで発生させることができます。
大理石や石灰石の主成分は炭酸カルシウムです。
CO₂は空気より重く、水に少し溶けます。
水上置換または下方置換で集めることがあります。
CO₂は石灰水を白くにごらせることで検出できます。
炭酸カルシウムと塩酸
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O
二酸化炭素が発生します。
二酸化炭素と石灰水
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O
白色沈殿のCaCO₃が生じ、石灰水が白くにごります。
二酸化炭素の製法まとめ
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項目
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内容
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原料
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CaCO₃とHCl
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発生する気体
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二酸化炭素 CO₂
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捕集法
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水上置換または下方置換
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検出法
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石灰水を白くにごらせる
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注意点
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燃焼を助けず、火を消す性質がある
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例題：二酸化炭素の検出方法を答えよ。
答え：石灰水に通すと白くにごる。
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O により、白色沈殿のCaCO₃が生じます。
確認ポイント
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CO₂の製法の反応式を書ける
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石灰水が白くにごる反応を説明できる
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CO₂の捕集法を説明できる
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6
アンモニア NH₃ の製法
アンモニア NH₃ は、アンモニウム塩に強塩基を加えて加熱することで発生させることができます。
代表的には、塩化アンモニウム NH₄Cl と水酸化カルシウム Ca(OH)₂ を混ぜて加熱します。
アンモニアは水に非常によく溶けるため、水上置換では集められません。
また、アンモニアは空気より軽いため、上方置換で集めます。
検出には、湿った赤色リトマス紙が青色になることや、塩化水素との白煙反応を利用します。
アンモニアの実験室的製法
2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O
アンモニウム塩と強塩基を加熱してアンモニアを発生させます。
アンモニアと塩化水素
NH₃ + HCl → NH₄Cl
白煙の塩化アンモニウムが生じます。
アンモニアの製法まとめ
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項目
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内容
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原料
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NH₄ClとCa(OH)₂
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発生する気体
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アンモニア NH₃
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捕集法
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上方置換
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水上置換
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不可。水に非常によく溶けるため
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検出法
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湿った赤色リトマス紙が青色になる
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別の検出
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HClと反応してNH₄Clの白煙を生じる
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確認ポイント
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アンモニアの製法の反応式を書ける
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NH₃を水上置換で集められない理由を説明できる
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NH₃の検出法を説明できる
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7
塩素 Cl₂ の製法
塩素 Cl₂ は、二酸化マンガン MnO₂ に濃塩酸 HCl を加えて加熱することで発生させることができます。
この反応では、塩化物イオン Cl⁻ が酸化されて塩素 Cl₂ になります。
塩素は黄緑色で刺激臭をもつ有毒な気体です。
水にある程度溶け、空気より重いため、下方置換で集めることがあります。
塩素は湿った色紙を漂白する作用をもちます。
塩素の実験室的製法
MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O
二酸化マンガンと濃塩酸を加熱して塩素を発生させます。
塩素と水
Cl₂ + H₂O ⇄ HCl + HClO
HClOが漂白作用・殺菌作用に関係します。
塩素の製法まとめ
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項目
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内容
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原料
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MnO₂と濃HCl
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発生する気体
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塩素 Cl₂
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色
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黄緑色
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捕集法
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下方置換
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検出・性質
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湿った色紙を漂白する
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注意点
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有毒。吸い込まない
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確認ポイント
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塩素の製法の反応式を書ける
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塩素が黄緑色の有毒気体であることを答えられる
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塩素の漂白作用を説明できる
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8
塩化水素 HCl の製法
塩化水素 HCl は、塩化ナトリウム NaCl に濃硫酸 H₂SO₄ を加えることで発生させることができます。
塩化水素は無色で刺激臭をもつ気体です。
水に非常によく溶け、その水溶液を塩酸といいます。
HClは水に非常によく溶けるため、水上置換では集められません。
空気より重いため、下方置換で集めます。
塩化水素の実験室的製法
NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl
塩化ナトリウムと濃硫酸から塩化水素が発生します。
塩化水素とアンモニア
HCl + NH₃ → NH₄Cl
白煙の塩化アンモニウムが生じます。
塩化水素の製法まとめ
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項目
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内容
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原料
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NaClと濃H₂SO₄
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発生する気体
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塩化水素 HCl
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水への溶解
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非常によく溶ける
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捕集法
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下方置換
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水溶液
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塩酸
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検出・性質
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NH₃と反応して白煙を生じる
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確認ポイント
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塩化水素の製法を説明できる
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HClを水上置換で集められない理由を説明できる
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HClとNH₃の白煙反応を説明できる
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9
二酸化硫黄 SO₂ の製法
二酸化硫黄 SO₂ は、硫黄 S を燃焼させることで発生します。
また、亜硫酸塩に酸を加えることでも発生させることができます。
SO₂は無色で刺激臭をもつ有毒な気体です。
水に溶けると亜硫酸 H₂SO₃ を生じ、酸性を示します。
SO₂は酸性雨の原因物質であり、還元性や漂白作用も重要です。
硫黄の燃焼
S + O₂ → SO₂
硫黄が燃焼して二酸化硫黄が発生します。
亜硫酸ナトリウムと酸
Na₂SO₃ + 2HCl → 2NaCl + SO₂ + H₂O
亜硫酸塩に酸を加えるとSO₂が発生します。
二酸化硫黄の製法まとめ
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項目
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内容
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発生方法1
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硫黄の燃焼
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発生方法2
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亜硫酸塩に酸を加える
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発生する気体
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二酸化硫黄 SO₂
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色・におい
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無色・刺激臭
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性質
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有毒、還元性、漂白作用
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環境問題
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酸性雨の原因
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確認ポイント
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SO₂の製法を説明できる
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SO₂が無色・刺激臭の有毒気体であることを答えられる
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SO₂が酸性雨や漂白作用に関係することを説明できる
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10
一酸化窒素 NO と二酸化窒素 NO₂
硝酸と銅の反応では、一酸化窒素 NO や二酸化窒素 NO₂ が発生します。
希硝酸と銅の反応では、主に無色のNOが発生します。
濃硝酸と銅の反応では、主に赤褐色のNO₂が発生します。
NOは空気中で酸化されてNO₂になります。
NO₂は有毒で、酸性雨や光化学スモッグにも関係します。
銅と希硝酸
3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
希硝酸では主に無色のNOが発生します。
銅と濃硝酸
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
濃硝酸では赤褐色のNO₂が発生します。
NOの酸化
2NO + O₂ → 2NO₂
無色のNOが空気中で赤褐色のNO₂になります。
NOとNO₂のまとめ
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気体
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色
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発生条件
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ポイント
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NO
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無色
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銅と希硝酸
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空気中でNO₂になる
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NO₂
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赤褐色
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銅と濃硝酸
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有毒。酸性雨に関係
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確認ポイント
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銅と希硝酸でNOが発生することを説明できる
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銅と濃硝酸でNO₂が発生することを説明できる
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NOとNO₂の色を区別できる
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11
代表的な気体の検出法まとめ
気体の製法では、発生した気体をどのように確認するかも重要です。
酸素は火のついた線香、水素は火を近づけたときの音、二酸化炭素は石灰水で確認します。
アンモニアは湿った赤色リトマス紙を青色にすることや、塩化水素との白煙で確認できます。
塩素は湿った色紙を漂白する作用が重要です。
気体ごとの検出法を一覧で覚えると、実験問題に強くなります。
気体の検出法
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気体
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検出法
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結果
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O₂
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火のついた線香を入れる
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激しく燃える
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H₂
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火を近づける
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ポンという音を立てて燃える
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CO₂
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石灰水に通す
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白くにごる
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NH₃
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湿った赤色リトマス紙
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青色になる
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NH₃
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HClを近づける
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NH₄Clの白煙が生じる
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HCl
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NH₃を近づける
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NH₄Clの白煙が生じる
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Cl₂
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湿った色紙を近づける
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漂白される
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NO₂
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色を観察
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赤褐色
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SO₂
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においや漂白作用
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刺激臭・還元性による漂白
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確認ポイント
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代表的な気体の検出法を答えられる
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O₂、H₂、CO₂の検出法を区別できる
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NH₃とHClの白煙反応を説明できる
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12
代表的な気体の製法一覧
最後に、無機化学で重要な気体の製法を一覧で整理します。
反応式を覚えるときは、原料、発生する気体、捕集法、検出法をセットで確認しましょう。
特に、O₂、H₂、CO₂、NH₃、Cl₂、HClは頻出です。
NOとNO₂は硝酸の酸化力とセットで覚えます。
SO₂は硫黄酸化物、酸性雨、漂白作用と関連づけて整理しましょう。
気体製法一覧
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気体
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主な発生反応
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捕集法
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検出・特徴
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O₂
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2H₂O₂ → 2H₂O + O₂
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水上置換
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線香が激しく燃える
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H₂
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Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂
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水上置換
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ポンと音を立てて燃える
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CO₂
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CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O
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水上置換・下方置換
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石灰水が白くにごる
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NH₃
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2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O
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上方置換
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赤色リトマス紙を青色にする
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Cl₂
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MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O
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下方置換
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黄緑色。有毒。漂白作用
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HCl
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NaCl + H₂SO₄ → NaHSO₄ + HCl
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下方置換
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NH₃と白煙
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SO₂
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S + O₂ → SO₂
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下方置換など
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無色・刺激臭。有毒
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NO
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3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
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発展
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無色。空気中でNO₂になる
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NO₂
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Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
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発展
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赤褐色。有毒
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確認ポイント
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主要な気体の製法を一覧で整理できる
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反応式と検出法を対応させられる
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捕集法を気体の性質から判断できる
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13
安全面での注意
気体の実験では、安全面が非常に重要です。
水素は可燃性があり、火気に注意が必要です。
塩素、塩化水素、二酸化硫黄、二酸化窒素などは有毒または刺激性があり、吸い込むと危険です。
アンモニアも刺激臭があり、直接においをかいではいけません。
有毒な気体や刺激性の気体は、ドラフト内で扱い、保護メガネや手袋を着用します。
気体実験の注意点
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気体
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注意点
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H₂
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可燃性。火気に注意
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NH₃
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刺激臭。直接かがない
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Cl₂
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有毒。吸い込まない
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HCl
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刺激性。水に溶けると強酸
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SO₂
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有毒・刺激臭。吸い込まない
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NO₂
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赤褐色の有毒気体。吸い込まない
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CO₂
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高濃度では窒息の危険がある
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確認ポイント
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有毒な気体を吸い込んではいけないことを説明できる
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水素の可燃性に注意できる
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気体実験ではドラフトや保護具が必要な場合があることを理解している
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14
テストでの出題パターン
気体製法まとめでは、反応式、捕集法、検出法がセットで出題されます。
酸素はH₂O₂の分解、水素は金属と酸、二酸化炭素は炭酸塩と酸、アンモニアはアンモニウム塩と強塩基で発生します。
塩素はMnO₂と濃HCl、塩化水素はNaClと濃H₂SO₄、二酸化硫黄は硫黄の燃焼や亜硫酸塩と酸で発生します。
捕集法では、水に溶けやすいか、空気より軽いか重いかを考えます。
検出法では、線香、石灰水、リトマス紙、白煙、漂白作用などを正しく対応させましょう。
例題：酸素の製法と検出法を答えよ。
答え：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂。火のついた線香を入れると激しく燃える。
MnO₂を触媒としてH₂O₂を分解し、酸素を発生させます。
例題：アンモニアを水上置換で集められない理由を答えよ。
答え：水に非常によく溶けるため。
NH₃は水に非常によく溶けるので、水上置換では集められません。
例題：二酸化炭素の検出法を答えよ。
答え：石灰水に通すと白くにごる。
Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O により白色沈殿が生じます。
例題：塩素の実験室的製法の反応式を書け。
答え：MnO₂ + 4HCl → MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O
二酸化マンガンに濃塩酸を加えて加熱すると塩素が発生します。
例題：塩化水素とアンモニアを近づけると何が起こるか。
答え：塩化アンモニウムNH₄Clの白煙が生じる。
HCl + NH₃ → NH₄Cl の反応によります。
確認ポイント
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代表的な気体の製法を反応式で答えられる
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気体の性質から捕集法を判断できる
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代表的な気体の検出法を答えられる
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有毒・可燃性の気体の注意点を説明できる
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