塩素の実験室的製法－正解・解説｜センター試験演習「化学Ⅰ」【高校化学Net参考書】

問題情報

単元	塩素の実験室的製法
年度	2013年度
問題番号	化学Ⅰ－第3問－問7
配点	a-2，b-2
計算問題	×
難易度	易しい

正解

a　①　濃塩酸　酸化マンガン（Ⅳ）

b　②　下方置換が最もよい。

解説

a　塩素の実験室的製法の化学反応です。原料としては濃塩酸HClと酸化マンガン（Ⅳ）MnO₂が用いられます。酸化マンガン（Ⅳ）は，酸素O₂の発生（過酸化水素H₂O₂や塩素酸カリウムKClO₃の分解）では触媒として用いられますが，塩素Cl₂の発生では酸化剤として用いたられます。

酸化剤　：　MnO₂　＋　４H^＋　＋　２e^－　→　Mn^2＋　＋２H₂O
還元剤　：　２HCl　→　Cl₂　＋　２H^＋　＋　２e^－

　　↓両辺をそれぞれ足し合わせて，e^－を消去

イオン反応式　：　MnO₂　＋　２H^＋　＋　２HCl　→　Mn^2＋　＋　２H₂O　＋　Cl₂

　　↓左辺で省略されているイオン（２Cl^－）を両辺に加えて整理

化学反応式　：　MnO₂　＋　４HCl　→　MnCl₂　＋　２H₂O　＋　Cl₂

②　弱塩基の遊離により，アンモニアNH₃が発生します。

③　硫酸は不揮発性です。陽イオンと陰イオンのすべての組合せを考えたときに，1つだけ気体として揮発しやすい塩化水素HClが発生します。

④　水素よりもイオン化傾向の大きい金属は，希塩酸や希硫酸に溶けて水素H₂を発生します。

b　この実験では発生した混合気体を濃硫酸に通じることで，不純物としての水蒸気を除いています。そのあとに水上置換で塩素を捕集すると，水を通る間に水蒸気を含んでしまいます。よって，水上置換は不適切です。

　上方置換か下方置換かは，空気よりも密度が大きいか小さいかで判断します。また，気体の密度の比較は，分子量の比較で考えられます。すべての気体は標準状態で1molあたり22.4Lなので，分子量（1molあたりの質量（g）と同じ値）を22.4Lで割ると気体の密度（g/L）を求めることができます。22.4で割る前後で大小関係は逆転しませんから，分子量が大きい気体ほど密度が大きいということです。

　空気の組成を80％が窒素N₂（分子量28），20%が酸素O₂（分子量32）だとすると，空気の見かけの分子量は，次のように求めることができます。

　　　28×0.8　＋　32×0.2　＝　28.8

　また，塩素Cl₂の分子量は　35.5×2＝71　なので，空気よりも重い気体だということが分かります。よって，下方置換で捕集するのが適当です。