酸化還元

酸化銅の粉末に水素を混ぜながら加熱した。このときの化学反応式を書きなさい。この実験のように酸化物から酸素を取り除く反応を何というか。水素と同じように酸化物から酸素を奪う働きのある物質の化学式をかきなさい。酸化銅の粉末12.0gに炭素の粉0.9gをまぜて十分に加熱したら、赤褐色の物質だけが残りその質量は9.6gだった。この赤褐色の物質は何か。この実験で気体が発生した。その気体の化学式と発生した質量を書きなさい。次に酸化銅を20.0gと炭素4.0gを混ぜて同じ実験をした。
赤褐色の物質は何ｇできるか。気体は何g発生するか。反応せずに残った物質は何か。また、その残った物質の質量は何gか。次の２つの実験について下の問に答えよ。実験①　4.0gの銅を完全に酸化させると5.0gの酸化銅になった。
実験②　40.0gの酸化銅に3.0gの炭素を混ぜて加熱したら完全に還元して銅と二酸化炭素になった。実験②の化学反応式を書きなさい。実験②で、できた銅の質量と発生した二酸化炭素の質量を求めなさい。炭素原子１個と酸素原子１個の質量比を求めよ。 200.0gの酸化銅に10.0gの炭素を混ぜて加熱したが実験に失敗し、酸化銅も炭素も完全に使われないまま反応が途中で終わってしまった。発生した二酸化炭素は22.0gだった。このときできた銅の質量を求めよ。

1.
(1) CuO+H₂→Cu+H₂O
(2) 還元
(3) C
2.
(1) 銅
(2) CO₂　　　3.3g
(3)
　① 16.0g
　② 5.5g
　③ 炭素　　　　2.5g
3.
(1) 2CuO+C→2Cu+CO₂
(2) 銅32.0g　　二酸化炭素11.0g
(3) 3:4
(4) 64.0g

(1) 水素は銅より酸素と結びつきやすいので、酸化銅の酸素を奪ってその酸素と結びついて水になる。酸化銅は酸素を奪われるので銅になる。 (2) 酸化物から酸素を取り除く反応が還元である。 (3) 化学反応のときに酸化物を還元するはたらきのある物質を還元剤という。還元剤はそれ自身が酸化されやすい物質である。中学の範囲ででてくるのは水素と炭素である。 (1) 酸化銅と炭素を混ぜて加熱すると
炭素は銅より酸素と結びつきやすいので酸化銅が還元されて銅になる。また炭素自身は酸化して二酸化炭素になる。
2CuO + C →　2Cu + CO₂
銅は赤褐色の物質である。 (2) 2CuO + C →　2Cu + CO₂ より発生する気体はCO₂(二酸化炭素)である。
反応前の物質の質量の合計は12+0.9=12.9g
反応後、わかっているのは銅9.6gなので　発生した二酸化炭素の質量は　12.9-9.6=3.3 (3) 12gに0.9gの炭素を混ぜて加熱した場合残ったのが赤褐色の銅だけだったことから、12g酸化銅と0.9gの炭素が過不足無く反応したことがわかる。
このときできた銅が9.6g, 二酸化炭素が3.3gである。
ここから、過不足無く反応するときの質量比がわかる。
酸化銅:炭素 12:0.9 = 40:3、酸化銅と銅　12:9.6=5:4、酸化銅と二酸化炭素 12:3.3=40:11
20gの酸化銅と4gの炭素の場合、質量比が40:3ではないので、どちらかが反応せずに残る。
20gの酸化銅と過不足無く反応する炭素の質量をxとすると 20:x = 40:3
x=1.5
つまり20gの酸化銅と過不足無く反応する炭素は1.5gである。
よって20gの酸化銅はすべて反応するが、炭素は反応せずにいくらか残る。 ① 20gの酸化銅はすべて反応するので、これをもとに比を計算する。
できた銅(赤褐色の物質)をxgとすると
20:x =5:4
x = 16 ① 20gの酸化銅を還元してできる二酸化炭素をygとすると
20:y = 40:11
y =5.5 ① 上記より、20gの酸化銅と過不足無く反応する炭素は1.5gなので、4-1.5 =2.5
2.5gの炭素が残ることになる。 (1) 酸化銅に炭素を混ぜて加熱すると銅と二酸化炭素ができる。
2CuO + C →　2Cu + CO₂ (2) 実験①より酸化銅と銅の質量比は5:4だとわかる。
よって40gの酸化銅を完全に還元してできる銅をxgとすると
40:x = 5:4
x=32
また、質量保存の法則より反応前と反応後の物質の質量の合計が等しい。
反応前40+3 =43gなので、43-32＝11 (3) 実験① 銅の酸化　2Cu + O₂ → 2CuO
で4gの銅が5gの酸化銅になったことから、O₂が1gとわかる。
よって銅原子1個と酸素原子1個の質量比は4:1である。
実験②　酸化銅の炭素による還元 2CuO + C →　2Cu + CO₂
で酸化銅(2CuO)が40gあるが、Cu:Oの質量比が4:1から内訳は銅原子2個32gと酸素原子2個8gである。
このときの炭素原子(C)が3gなので炭素原子1個3gに対して酸素原子2個8g(1個なら4g)である。
よってC:Oの質量比は3:4 (4) 2CuO + C →　2Cu + CO₂で過不足無く反応した場合、
酸化銅40g, 炭素3g, 銅32g, 二酸化炭素11gである。
今回は二酸化炭素が22g発生したことがわかっているのでこれを元に比を計算する。
できた銅をxgとすると x:22 = 32:11
x =64