・反応速度
【目次】
(1) 実験操作
［実験１：ゾウの歯磨き］
① メスシリンダーに1.5 gのヨウ化カリウムKIを加え、空の水槽の中央に置く。
② 別のメスシリンダーを用意し、そこへ25 mLの過酸化水素水H2O2を入れる。
③ さらに②のメスシリンダーに台所用洗剤10 mLを加える。
④ ③のメスシリンダーをよく振って、液体同士を混和させる。
⑤ ④の溶液を、水槽の中央に置いてあるメスシリンダーに一気に加える。
※ 過酸化水素水H2O2が皮膚に付かないように注意すること。
台所用洗剤は、界面活性剤の濃度が高いものが良い。花王株式会社の「キュキュット」を使用。
［実験２：鉄粉の自然発火］
① シュウ酸鉄(II)二水和物FeC2O4･2H2Oを3.0 g量り取り、乾いた試験管に入れる。
② 試験管ばさみを使って、よく振り混ぜながら、試験管をガスバーナーで強熱する。気体が発生し、内容物が黄色から黒色に変化していくが、完全に気体が出なくなって、色の変化が見られなくなるまで、加熱を続ける。
③ 加熱を止め、新聞紙を2枚ほど重ねて十分に水に濡らし、床に拡げて敷く。
④ 手を伸ばして、濡れた新聞紙に向けて、高い位置から少しずつ振り落とす。
⑤ 新聞紙上の生成物の様子(色や形状など)を観察する。
※ シュウ酸鉄(II) FeC2O4は水和水を含んでいるため、突沸に注意すること。
操作④では、服に引火させないよう、よく手を伸ばすこと。
新聞紙を破棄する際は、水で濡らして完全に消火を確認すること。
(2) 理論
［実験１：ゾウの歯磨き］
過酸化水素H2O2にヨウ化カリウムKIの粉末を加えると、ヨウ化カリウムKIが触媒として働き、過酸化水素H2O2の分解反応が促進されます。このとき、事前にセッケン水や洗剤などの泡立ちやすい液体を加えておくと、発生した酸素O2が泡となって、勢いよく噴き出してきます。発生した泡が巨大なチューブから絞り出した「歯磨き粉」のように見えるので、この実験は「ゾウの歯磨き」と呼ばれています。触媒を加える前に着色料を混ぜると、泡に好きな色を付けることができます。
2H2O2 → 2H2O ＋ O2
図.1 過酸化水素H2O2の分解により、「泡の噴火」のような反応が起こる
ところで、過酸化水素H2O2は、酸化剤・還元剤の両方の働きをするため、様々な化学反応に関わる試薬として用いられています。例えば、過酸化水素H2O2とヨウ化カリウムKIの組み合わせによる化学反応は、硫酸酸性下で、過酸化水素H2O2が酸化剤として働き、ヨウ化物イオンKIが酸化されて、ヨウ素I2が遊離してきます。
2KI ＋ H2O2 ＋ 2H+ → I2 ＋ 2H2O ＋ 2K+
図.1で、発生した泡が褐色になっているのは、上記の酸化還元反応がわずかに起こり、ヨウ素I2が生成しているからです。ヨウ素I2はヨウ化物イオンI- と錯体を形成し、三ヨウ化物イオンI3- を生成します。ヨウ素I2は黒紫色ですが、三ヨウ化物イオンI3- は褐色なのです。ただし、上記の酸化還元反応は、水素イオンH+ 濃度の高い酸性条件下でよく進行するため、今回の実験では、過酸化水素H2O2の分解反応が主反応となります。
I2 ＋ I- ⇄ I3-
［実験２：鉄粉の自然発火］
同じ素材でも、形状が変化することで、物理化学的な性質が違ってくることがあります。例えば、鉄Feの塊は簡単には燃えませんが、微粉末にすると表面積が大きくなって、酸化反応の反応速度が増大するため、空気に触れるだけで容易に発火するようになります。このため、消防法によって、一定量以上の鉄粉は、危険物扱いとなっているのです。次の図.2のように鉄Feの微粉末を高所より振り落とすと、床に着地するまで、まるで火のカーテンのように発火するので、圧巻です。
図.2 鉄Feの微粉末は、空気に触れるだけで自然発火する
実験２で用いたシュウ酸鉄(II)二水和物FeC2O4･2H2Oは、黄色粉末です。しかし、これを加熱していくと、分解反応が起こって、次第に黒みを帯びてきます。反応が落ち着く頃には、黒色の微粉末が試験管の底に残ります。これは、鉄Feやその酸化物で、鉄Fe・酸化鉄(III) Fe2O3・四酸化三鉄Fe3O4などが混在しているものと考えられます。実際には、複雑な反応が起こっていると考えられますが、反応式としては、次の反応が分かりやすいです。
FeC2O4･2H2O → Fe ＋ 2CO2 ＋ 2H2O