この実験について
風船を酢の容器に取り付け、重曹を入れて、気体を集める風船が膨らむ様子を観察します。反応物の量を変えて律速試薬を特定し、柔らかい風船と硬い風船を比較します。容器を開放した状態で行う実験では、同じ化学反応による気体の発生が、保持されずに外へ逃げることにつながる様子を確認します。
学習目標
- 炭酸水素塩または酢酸のどちらが律速となるか、その量を予測します。
- 風船の大きさを、泡の数だけでなく気体の量や圧力と関連づけます。
- 保持された気体と、開放境界を通って外へ出る気体を比較します。
使い方
- 1風船を取り付け、初期設定の粉末を入れて、最終的な気体の体積を記録します。
- 2酢の量は変えずに重曹を増やし、気体の発生量が頭打ちになる点を見つけます。
- 3薬品の量は一定に保ち、風船の硬さを増して、圧力と体積を比較します。
- 4新しい実験では風船を外して反応を繰り返し、逃げた気体の質量を調べます。
モデル
前提条件
- 理想的な反応式は NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂ です。酢の密度は 1 g/mL とし、選択した濃度は酢酸の質量パーセント濃度です。
- 温度を298.15 Kに固定すると、気体の発生量は1 − exp(-0.07t)に従って上限量に近づきます。溶存CO₂、酢酸の平衡、および温度変化は考慮していません。
- 取り付けられた集気器は、絶対圧力がP = 101.325 kPa + K × 気体体積（リットル）となる理想的なCO₂を保持します。この正の線形剛性は学習用のコンプライアンス則であり、実際のラテックス風船の構成モデルではありません。取り外された集気器は気体を保持しません。
授業で試してみましょう
- Q1なぜ重曹を追加しても、風船の大きさがそれ以上増えなくなるのでしょうか？
- Q2なぜ剛性の高い風船は、同じ量の気体をより小さな体積で含むのでしょうか？
よくある質問
風船の体積は、周囲圧力における理想気体の体積と等しいですか？
選択した剛性がゼロの場合に限ります。剛性が正の場合、気体の圧力はより高く、体積はより小さくなります。
なぜ開放容器では質量が減るのに、取り付けた風船では減らないのでしょうか？
開放系では、二酸化炭素は測定対象の系から外へ出ます。閉鎖系では、捕集器はその系の境界内にとどまります。