酸化銅の還元で、何が起きているのか分からない…
還元されたのは酸化銅なのか、炭素なのか、いつも迷う…
実験の最後に、火を消すのとガラス管を抜くのと、どっちが先か覚えられない…
こういう中2の人に向けて書きました。
結論からいうと、酸化銅を炭素と混ぜて加熱すると、酸化銅は酸素を奪われて銅になります。
化学反応式は2CuO + C → 2Cu + CO₂です。
還元とは
酸化物から酸素をうばう化学変化を還元といいます。
酸化銅（CuO）は、銅（Cu）が酸素（O）と結びついた黒色の物質です。
この酸化銅から酸素をうばって、銅に戻す変化が、酸化銅の還元です。
そして、酸素をうばう側の物質は、酸素と結びつきます。
つまり、酸化銅が還元されるとき、同時にもう一方の物質は酸化されています。
還元と酸化は、かならず同時に起こるので、ここは必ず覚えてください。
| 酸化銅の還元（炭素を使う場合） | |
|---|---|
| 還元されたもの | 酸化銅（酸素を失って銅になる） |
| 酸化されたもの | 炭素（酸素と結びついて二酸化炭素になる） |
| 加熱前の見た目 | 黒色の粉末（酸化銅と炭素の混合物） |
| 加熱後の見た目 | 赤色の固体（銅）。こすると金属光沢が出る |
| 発生する気体 | 二酸化炭素（石灰水を白くにごらせる） |
酸化銅の還元のしくみ
炭素で還元する実験
黒色の酸化銅の粉末と、炭素の粉末をよく混ぜて、試験管に入れます。
これをガスバーナーで加熱します。
すると、酸化銅は赤色の銅に変わります。
同時に出てきた気体を、ガラス管から石灰水に通すと、石灰水が白くにごります。
白くにごったので、発生した気体は二酸化炭素だと分かります。
酸化銅の中の酸素が、炭素と結びついて二酸化炭素になり、あとに銅だけが残ったということです。
化学反応式の書き方
酸化銅と炭素から、銅と二酸化炭素ができます。
これを式にすると、次のようになります。
酸化銅 + 炭素 → 銅 + 二酸化炭素
化学式にすると、CuO + C → Cu + CO₂ です。
ただしこのままでは、左と右で酸素原子（O）の数が合いません。
左の酸素は1個、右の酸素は2個です。
そこで、酸化銅（CuO）を2個にして、酸素を2個にそろえます。
すると銅原子（Cu）が左に2個になるので、右の銅も2個にします。
こうして完成するのが、2CuO + C → 2Cu + CO₂です。
図のように、酸化銅2個から酸素を1個ずつ炭素がうばって、二酸化炭素1個ができています。
原子の数が、左と右でそろっていることを確かめてください。
水素で還元する場合
炭素のかわりに水素を使っても、酸化銅を還元できます。
酸化銅に水素を触れさせながら加熱すると、酸化銅は銅になり、水ができます。
CuO + H₂ → Cu + H₂O
このときは、水素が酸素と結びついて水になるので、酸化されたのは水素です。
炭素のときと同じく、還元と酸化が同時に起きています。
| 炭素を使う | 水素を使う | |
|---|---|---|
| 化学反応式 | 2CuO + C → 2Cu + CO₂ | CuO + H₂ → Cu + H₂O |
| 酸化銅から出る酸素と結びつくもの | 炭素 | 水素 |
| できる物質 | 銅と二酸化炭素 | 銅と水 |
| 調べ方 | 石灰水が白くにごる | 試験管の口に水滴がつく |
実験の終わり方
実験が終わるときの手順は、入試でもよく問われます。
- ガラス管を、石灰水の中から先に抜く
- そのあとでガスバーナーの火を消す
- ピンチコックでゴム管をとめる
- 試験管が冷めるまで待つ
ガラス管を抜かずに火を消すと、試験管の中の気体が冷えて縮み、石灰水が逆流して試験管が割れることがあるからです。
また、ピンチコックをとめずに冷ますと、空気が入って、できた銅がもう一度酸素と結びつくことがあります。
冷めるまで待つのは、熱い銅が空気中の酸素と結びつくのを防ぐためです。
よくある間違い
間違い① 炭素が還元されたと答える
還元されたのは、酸素を失った酸化銅です。
炭素は酸素と結びついたので、酸化されたほうです。
「どっちが還元された？」と聞かれたら、酸素を失ったのはどれかで考えましょう。
間違い② 火を消してからガラス管を抜く
順番は、ガラス管を抜いてから、火を消します。
記述問題では、理由まで書けるようにしておきましょう。
間違い③ 炭素を入れすぎたときの質量を忘れる
炭素を多く入れすぎると、反応しなかった炭素が試験管に残ります。
残った炭素も固体なので、加熱後の質量に入れるのを忘れがちです。
この考え方は、練習問題の問5で使います。
入試ではこう出る
酸化銅の還元は、図のような装置を使った実験の形で出ます。
図のように、試験管Aに酸化銅と炭素の混合物を入れて加熱し、出てきた気体を試験管Bの石灰水に通す形です。
聞かれ方は、おおまかに次の4つです。
- 石灰水が白くにごった理由（二酸化炭素が発生したため）
- 化学反応式を書く
- 還元されたもの・酸化されたものを答える
- 実験の終わりに、先にすることとその理由（記述）
どれも、ここまでで説明したことで答えられます。
質量の計算が出るときは、化学変化と質量の比の考え方を使います。
練習問題
問1 酸化銅と炭素の粉末を混ぜて加熱したときの化学変化を、化学反応式で書きなさい。
問2 問1の実験で、還元されたものと酸化されたものを、それぞれ物質名で答えなさい。
問3 上の入試の図の装置で、加熱をやめるとき、ガスバーナーの火を消す前に必ずしなければならないことを、理由もあわせて書きなさい。
問4 酸化銅4.0gと炭素0.3gを混ぜて加熱したところ、ちょうど全部が反応して、銅と二酸化炭素だけになった。
このときできた銅は3.2gだった。
発生した二酸化炭素は何gか。
問5 酸化銅4.0gと炭素0.5gを混ぜて十分に加熱した。
このとき酸化銅は全部反応し、炭素は0.3gが反応した。
加熱後、試験管に残っている固体の質量は何gか。
解答と解説
問1 答え: 2CuO + C → 2Cu + CO₂
酸化銅と炭素から、銅と二酸化炭素ができます。
CuO + C → Cu + CO₂ では酸素の数が合わないので、CuOを2個にして、Cuも2個にします。
問2 答え: 還元されたもの…酸化銅 酸化されたもの…炭素
酸化銅は酸素を失って銅になったので、還元されました。
炭素は酸素と結びついて二酸化炭素になったので、酸化されました。
問3 答え: 石灰水の中からガラス管を抜く。
（理由）火を消すと試験管の中の気体が冷えて縮み、石灰水が逆流して試験管が割れるおそれがあるから。
火を消す前にガラス管を石灰水から出しておけば、石灰水は逆流しません。
問4 答え: 1.1g
化学変化の前後で、全体の質量は変わりません。
反応前の質量は、酸化銅4.0g + 炭素0.3g = 4.3gです。
反応後は、銅3.2gと二酸化炭素です。
よって、二酸化炭素の質量は 4.3 − 3.2 = 1.1g です。
問5 答え: 3.4g
反応しなかった炭素は、0.5 − 0.3 = 0.2g です。
酸化銅4.0gは全部反応して、銅3.2gになります。
（問4と同じ酸化銅の質量なので、銅の質量も同じです。）
試験管に残る固体は、銅3.2gと、残った炭素0.2gです。
よって、3.2 + 0.2 = 3.4g です。
なお、反応前の全体は 4.0 + 0.5 = 4.5g で、できた二酸化炭素は 4.5 − 3.4 = 1.1g です。
これは問4と同じ質量です。
- 酸化物から酸素をうばう変化を還元という。還元と酸化は同時に起こる。
- 酸化銅（黒色）+ 炭素 → 銅（赤色）+ 二酸化炭素。反応式は 2CuO + C → 2Cu + CO₂。
- 還元されたのは酸化銅、酸化されたのは炭素。
- 石灰水が白くにごれば、二酸化炭素が発生している。
- 水素で還元するときは CuO + H₂ → Cu + H₂O。
- 実験の終わりは、ガラス管を石灰水から抜いてから火を消す（逆流を防ぐ）。
- 質量の計算では、反応しなかった炭素が残っていないかを確かめる。
こんにちは！
高校受験ラボ・進学塾リードアップ代表の山田優輔です！
進学塾リードアップのHPはこちら