開容器：ガスとして系に入り出す、あるいは系から逃げる質量について説明せよ
導入済み| English | 意味 |
|---|---|
| open system/ˈəʊpən ˈsɪstəm/ | 開放系 |
| thermal decomposition/ˈθɜːml ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/ | 熱分解 |
この観察を説明する要因は何か？
- 加熱した金属は質量を増やすことができ、一方、加熱した炭酸塩はより軽い固体を残すことがあります。ガスの移動を考慮すれば、どちらの観察結果も保存則に反しません。
- まず予測を立てる。比較したい量や特徴を明記し、2つの説明を区別できる証拠は何かを決定せよ。
モデルを構築する
- 開系では、ガスが周囲の空気から流入したり、外部へ逃散したりすることがあります。マグネシウムの酸化反応は 2Mg + O₂ → 2MgO で表されます。生成した酸化物には元のマグネシウムに加え、外部からの酸素が含まれるため、元の金属よりも重くなります。炭酸カルシウムの分解は CaCO₃ → CaO + CO₂ です。残った固体が lighter なのは、二酸化炭素が逃げたためであり、原子が消滅したわけではありません。
- 開系：周囲との間で物質を交換できる系；熱分解：加熱によって化合物を単純な物質に分解すること。
なぜ酸化マグネシウムの質量は、元のマグネシウムの質量より大きくなるのか？
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
マグネシウムは空気中の酸素と結合し、その追加の酸素は固体の酸化物生成物の一部となるため、酸化物の質量は出発金属よりも大きくなります。原子は生成されず、熱はエネルギーであり物質ではありません。
各専門用語を正確な意味と対応させよ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
関連する物理量やプロセスを区別するために定義を使用せよ。
これを検証できる証拠を選ぶ
- 各読み取り時に天平上にある物質を特定します。金属の場合、酸素が計測された固体に加わります。炭酸塩の場合、ガスが計測装置から外へ出ます。粒子レベルでは同じ原子が物質間で再配分され、一部が選択した系の境界を越えます。密閉系全体の総量は全生成物を含みますが、開系での残留物の測定は含みません。
- 教員の承認を得た学校実験の場合、乾燥した容器の質量、試料の質量、冷却後の容器＋固体の最終質量を記録します。適切な熱保護、換気、承認された方法を使用してください。飛散や不完全な反応による固体の損失も読み取りを変化させます。保存則を示すために加熱してガスを発生させる装置を単に密閉してはいけず、測定差すべてが意図したガスの移動であるとは仮定しないでください。
この場合、調査やモデルをより妥当にする2つの習慣は何か。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
条件や仮定を明記することで他者が正確に再現でき、根拠となる証拠を記録することで結論を検証できます。相反する結果を隠すと、誤った結論を疑う証拠を失いますし、単一の測定でより広い主張を成立させることはできません。
既知の量から始める
- 既知の値と単位を明記する。このケースに適応する仮定を持つ関係式を選び、代入前に変形する。
- 既知：10.0 g のモデル炭酸塩が完全分解後、他の損失なく5.6 g の固体酸化物を残します。逃散したガスの質量＝10.0−5.6=4.4 g。5.6 g の酸化物と4.4 g のガスの合計は元の10.0 g に等しいです。2.4 g のマグネシウムから4.0 g のMgOが生成する場合、増加した酸素の質量＝1.6 g。
炭酸塩サンプルの初期質量が25 g で、分解後に14 g の酸化物が残りました。ガスのみが失われたと仮定して、その質量を求めます。既知量→モデル→関係式→代入→単位と解釈の同じ手順を使用します。
炭酸塩試料の初期質量が25 gで、焼却後に14 gの酸化物が残りました。失われたガスが唯一の減量である場合、その質量を求めよ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
結果は 11 g です。既知：炭酸塩 25 g から酸化物 14 g が残り、気体のみが逸出します。気体の質量 = 25 - 14 = 11 g です。酸化物＋気体 = 14 + 11 = 25 g となり、気体を考慮すれば保存則は完全に成立します。
結論とその限界を確認する
- ガスにも質量があります（目に見えない場合でも）。質量の増加は、追加のマグネシウム原子が生成されたことを意味しません。計測前に冷却すると、温度に起因する計測上の問題が減少します。装置の質量変化や固体のこぼれがある場合、単純なガスだけの説明では不十分であり、結果に無理に合わせようとするのではなく見直しが必要です。
- 元の観察に戻り、結果が何を裏付けているか、どのような条件を前提としているかを説明し、対立する説明を検証する方法を一つ示す。
逸散した気体は質量を持たないため、残質量の減少を説明できない。この主張は誤りである：見かけ上「失われた」質量は空気中に逸散した気体そのものである。気体を秤で測るか、密閉系を用いれば、質量は完全に釣り合う。質量保存則は境界を含む完全系に適用される。
開容器：ガスとして質量が流入・排出される説明：各読み取り時に天平上にある物質を特定します。金属の場合、酸素が計測された固体に加わります。炭酸塩の場合、ガスが計測装置から外へ出ます。粒子レベルでは同じ原子が物質間で再配分され、一部が選択した系の境界を越えます。密閉系全体の総量は全生成物を含みますが、開系での残留物の測定は含みません。
逸失するガスに質量がないため、残留物の質量減少を説明できない。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
見かけ上「失われた」質量は空気に逸出した気体です。気体を秤で測るか、閉じた系を用いれば、質量は完璧に釣り合います。保存則は境界を含む完全な系に対して適用されます。
周囲と物質交換可能な系：技術用語を書け。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
開放系とは、周囲と物質交換可能な系を指す。