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毒物劇物取扱者試験問題

炭酸水素ナトリウムの加熱分解

問題

標準状態で、$\ce{25.2g}$の炭酸水素ナトリウムを熱分解したときに発生する二酸化炭素として、適切なものはどれか次のうちどれか。ただし、原子量は、$\ce{H＝1}$、$\ce{C＝12}$、$\ce{O＝16}$、$\ce{Na＝23}$ とし、標準状態での気体$\ce{1 mol}$ の体積は、$\ce{22.4L}$とする。また、このとき起こる反応は、次の化学反応式で表されるものとする。
\[ 2 \text{NaHCO}_3 \ \rightarrow \ \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \]

(1) 0.560Ｌ

(2) 3.36Ｌ

(3) 6.72Ｌ

(4) 13.4Ｌ

ビデオの”正解、不正解”の「解」という文字に間違いがあります。AIが日本語にまだ対応していないため正確に生成できないためです。ご了承ください。

解　説

1. 問題の整理

炭酸水素ナトリウム ($\ce{NaHCO3}$) の質量： $ 25.2 \ \text{g} $
化学反応式：
\[ 2 \text{NaHCO}_3 \ \rightarrow \ \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \]
原子量： $ \ce{H} = 1, \ \ce{C} = 12, \ \ce{O} = 16, \ \ce{Na} = 23 $
標準状態での気体 $\ce{1 mol}$ の体積： $ 22.4 \ \text{L} $
求めるもの：発生する $ \text{CO}_2 $ の標準状態での体積。

2. 炭酸水素ナトリウムの分子量を計算

\[ \text{NaHCO}_3 = 23 + 1 + 12 + 16 \times 3 \] \[ = 23 + 1 + 12 + 48 = 84 \]

よって、$ \text{NaHCO}_3 $ のモル質量は $ 84 \ \text{g/mol} $ です。

3. 炭酸水素ナトリウムの物質量を求める

\[ n(\text{NaHCO}_3) = \frac{25.2}{84} = 0.30 \ \text{mol} \]

4. 化学反応式から $\ce{CO2}$ の物質量を求める

反応式：

\[ 2 \ \text{NaHCO}_3 \ \to \ 1 \ \text{CO}_2 \]

すなわち、$\ce{NaHCO3}$ 　$\ce{2 mol}$ から $\ce{CO2}$　 $\ce{1 mol}$ が発生する。

よって、物質量の関係は：

\[ n(\text{CO}_2) = \frac{1}{2} \times n(\text{NaHCO}_3) \]

代入：

\[ n(\text{CO}_2) = \frac{1}{2} \times 0.30 = 0.15 \ \text{mol} \]

5. 標準状態での $\ce{CO2}$ の体積を求める

気体 $\ce{1 mol ＝ 22.4 L}$ なので：

\[ V(\text{CO}_2) = 0.15 \times 22.4 \] \[ = 3.36 \ \text{L} \]

6. 答え

\[ \boxed{2 \ \text{(3.36 L)}} \]

補足

計算過程を追うと：
\[ \frac{25.2}{84} = 0.3 \quad\to\quad 0.3 \times \frac{1}{2} = 0.15 \quad\to\quad 0.15 \times 22.4 = 3.36 \]
炭酸水素ナトリウムの加熱分解は、上記の反応式通りに進む場合を想定しています。実際には完全に加熱しないと炭酸ナトリウムに分解しないことがありますが、問題ではこの式で計算します。

炭酸水素ナトリウムの加熱分解がイマイチわからないとき

炭酸水素ナトリウム（重曹）の熱分解が典型的問題として出題される理由は、1つの物質から「固体・液体・気体」の3つの異なる状態の物質が同時に生成されるためです。

たった1つの分解反応で三態（固・液・気）がすべて登場する、非常にわかりやすい教材なためです。

ベーキングパウダーとして例題が多い理由（本質＋身近さの両面）

ベーキングパウダー（ふくらし粉）は、重曹（炭酸水素ナトリウム）と酸性剤、遮断剤（デンプンなど）を混ぜ合わせた膨張剤で、水分や熱に反応して炭酸ガス（二酸化炭素）を発生させ、ケーキやパンなどの生地をふっくらと膨らませる食品添加物です。

ベーキングパウダーを熱すると、パンやケーキがふくらむのと同じように、目に見えない気体が発生して中に空気のすき間ができます。同時に、もとの粉の一部は別の白い粉（目に見えないほど細かい白い固体の粒（結晶）が集まった粉末状態で、気体や水分は抜け、固体だけが残っている状態）として残り、さらに水分も生じて内部がしめります。このように、1つの物質を加熱するだけで、気体・液体・固体の3種類の状態の物質が同時に生じることがわかります。

さて、本題です。

実験の概要再確認

加熱前：炭酸水素ナトリウム（$\ce{NaHCO3}$、白色の固体）

加熱後：炭酸ナトリウム（$\ce{Na2CO3}$、白色の固体） + 水（$\ce{H2O}$） + 二酸化炭素（$\ce{CO2}$）

「炭酸水素ナトリウム」と「なほこさん」「なつこさん」は、炭酸水素ナトリウムの熱分解の化学反応式（$\ce{2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2}$）を覚えるための覚え方・語呂合わせで、「2人の菜穂子さん（なほこさん）が、1人の奈津子さん（なつこさん）と水と炭酸ガスになる」という表現がよく使われます。これは、炭酸水素ナトリウム（$\ce{NaHCO3}$）が熱分解すると、炭酸ナトリウム（$\ce{Na2CO3}$）、水（$\ce{H2O}$）、二酸化炭素（$\ce{CO2}$）に変わることを示しています。

化学反応式

\[ 2\text{NaHCO}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \]

1. 生成物「炭酸ナトリウム（$\ce{Na2CO3}$）」の確認：フェノールフタレイン溶液

化学初歩：フェノールフタレイン溶液を加えると赤色に変化した → アルカリ性の物質ができた。
化学基礎での解説：
- なぜ赤くなるのか：フェノールフタレインは、pHが約8.2以上（アルカリ性側）で赤色を呈する酸塩基指示薬です。
- 炭酸ナトリウムの水溶液がアルカリ性を示す理由：$\ce{Na2CO3}$は強塩基（$\ce{NaOH}$：水酸化ナトリウム）と弱酸（$\ce{H2CO3}$：炭酸）からなる塩です。水に溶けると、炭酸イオン（$\ce{CO₃²⁻}$）が水（$\ce{H2O}$）と反応し（加水分解）、水酸化物イオン（$\ce{OH⁻}$）を生じます。
  \[ \text{CO}_3^{2-} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{HCO}_3^- + \text{OH}^- \] この$\ce{OH⁻}$により水溶液はアルカリ性となり、フェノールフタレインが赤変します。一方、加熱前の$\ce{NaHCO3}$の水溶液は弱アルカリ性（pH約8.3）で、フェノールフタレインではごく薄い赤色か無色のままです。加熱後に明らかな赤色になることで、より強い塩基性の物質（$\ce{Na2CO3}$）が生成したことが確認できます。

2. 生成物「水（$\ce{H2O}$）」の確認：塩化コバルト紙

化学初歩：青色の塩化コバルト紙が赤色に変化した → 水ができた。
化学基礎での解説：
- 色の変化の化学：塩化コバルト（Ⅱ）$\ce{CoCl2}$には、水和物と呼ばれる状態があります。
  - 無水物（$\ce{CoCl2}$）：青色
  - 六水和物（$\ce{CoCl2・6H2O}$）：赤色（桃色）
加熱により発生する水蒸気が無水の塩化コバルト（青色）に触れると、水和が進み、六水和物（赤色）へ変化します。この可逆的な色変化は、物質の結晶水の有無によるもので、水の検出に利用されます。
\[ \text{CoCl}_2 \, (\text{青}) + 6\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CoCl}_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O} \, (\text{赤}) \]
注意点：この反応は水（$\ce{H2O}$）分子そのものに対する反応です。空気中の水分でも変化するため、湿気に注意して実験する必要があります。

3. 生成物「二酸化炭素（$\ce{CO2}$）」の確認：石灰水

化学初歩：石灰水が白く濁った → 二酸化炭素が発生した。
化学基礎での解説：
- 白濁の正体：石灰水の主成分は水酸化カルシウム $\ce{Ca(OH)2}$です。これに$\ce{CO2}$を通じると、難溶性の炭酸カルシウム（$\ce{CaCO3}$）が沈殿します。これが白濁の原因です。
  \[ \text{Ca(OH)}_2 + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow \, (\text{白}) + \text{H}_2\text{O} \]
- さらに$\ce{CO2}$を通し続けると：炭酸カルシウムは、さらに$\ce{CO2}$と反応して水に溶けやすい炭酸水素カルシウム $\ce{Ca(HCO3)2}$ となり、沈殿が溶解して溶液は再び透明になります。
  \[ \text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Ca(HCO}_3)_2 \] この一連の反応は、鍾乳洞ができる原理（自然界の炭酸塩平衡）と共通しており、$\ce{CO2}$の定性・定量分析の基礎となる重要な反応です。

高校化学からの発展的な視点

熱分解のエネルギー：この反応は吸熱反応です。加熱をやめると反応が止まることからも推測できます。ベーキングパウダー（炭酸水素ナトリウムが主成分）を焼くと膨らむのは、この反応で発生するCO₂ガスによるものです。
固体の質量減少：反応式から、$\ce{2 mol}$の$\ce{NaHCO3}$（約$\ce{168g}$）から、気体（$\ce{H2O}$と$\ce{CO2}$）が発生して逃げるため、生成する固体$\ce{Na2CO3}$は約$\ce{106g}$になります。加熱前後の質量を測れば、理論値との比較から反応の理解を深めることができます。
気体の発生順序と検出：試験管内では、発生した水（水蒸気）が上部で冷やされて凝縮し、水滴として観察されます。一方、$\ce{CO2}$は試験管の口（気体の逃げ口）から出てくるため、石灰水の検出は少し遅れます。このように、生成物の状態（固体、液体、気体）によって観察方法やタイミングが異なることを理解することが重要です。

まとめると、この実験は、一つの化合物が加熱によって複数の性質の異なる物質に分かれる（分解反応）ことを示す典型的な例です。化学基礎の知識を使うことで、各生成物の確認反応の背景にある化学的メカニズム（酸塩基、水和、沈殿溶解平衡）を深く理解することができます。

2人の菜穂子（なほこ）さん【$2\text{NaHCO}_3$】が、1人の奈津子（なつこ）さん【$\ce{Na2CO3}$】になって、なんと炭酸ガス【$\ce{CO2}$】と水【$\ce{H2O}$】になります。

声：Voicevox 九州そら

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