炭酸水を沸騰させる実験について

炭酸水を試験官に入れて沸騰させます。試験官の口についたガラス管は水の入ったビーカーの中に入っています。沸騰するとビーカーに泡が盛んに出ますが、ふっとうをやめてもしばらくは、泡の勢いは弱まるけど一定の割合で泡が出続ける、と書いてありました。この泡は二酸化炭素ですか？もしそうなら、二酸化炭素は沸騰しても水にとけていられると言うことになりますが、そんな性質があるのでしょうか？なお、同じ実験を塩酸やアンモニアですると、沸騰すると泡が出ますがしばらくすると泡が出なくなり、沸騰をやめてもやはり泡は出ないとあります。こちらの実験で「いったん出るのに泡が出なくなる」理由も分かりません。かなり分かってないのですが、教えてください宜しくお願いします。

ちなみに、これに関する問題の答えには「塩化水素は温度によって水に溶ける量が大きく変わるが、二酸化炭素はあまりかわらないから」と書いてありますが、これでなんで上記のような結果になるのかが分かりません。

No.2 ベストアンサー 回答者： Josquin 回答日時： 2008/10/26 08:23

実験したことがないので事実なのかどうかわかりませんが、内容が事実だとして、考えられることをまとめておきます。

◆加熱したときに出てくる気体
炭酸水・・・水蒸気、二酸化炭素
塩酸・・・水蒸気、塩化水素
アンモニア水・・・水蒸気、アンモニア

◆ビーカー側で気体が泡として出てくるかどうか
泡が出てくるかどうかは、ビーカー側の水に溶解する速さ、気体が発生する速さが関係している。

「水蒸気」は冷却すれば水に戻るため、普通はビーカー側で泡として出てこない。
「二酸化炭素」は水に溶けにくい（溶けるのが遅い）ため、ビーカー側で泡として出てくる。
「塩化水素」、「アンモニア」は水に溶けやすい（溶けるのが速い）ため、普通はビーカー側で泡として出てこないはず？

◆考えられること
沸騰した後の炭酸水からも泡が出てくるのは、「二酸化炭素は沸騰してもすぐにはなくならなかった」から。

沸騰した塩酸やアンモニア水から泡が出てくるのは、ビーカー側の水に気体が溶解する速さより気体が発生する速さの方が速いから。

沸騰した後の塩酸やアンモニア水から泡が出なくなるのは、
(i)塩化水素やアンモニアが発生しきってしまった
(ii)塩化水素やアンモニアは残っているが、ビーカー側の水に気体が溶解する速さより気体が発生する速さの方が遅いから
のどちらか。
「しばらくすると泡が出なくなり」なので、この実験では(i)が正しいはず。

以上のことから、「塩化水素やアンモニアは沸騰水には溶けにくい」→「塩化水素やアンモニアの溶解度の温度変化は大きい」、「二酸化炭素は沸騰水にもある程度は溶けていられる」→「二酸化炭素の溶解度の温度変化は小さい」という結論になっているのかもしれません。
しかし、この実験は平衡状態ではありませんし、加熱速度などにも影響される実験なので、かなり無理があると思います。


問題の解答が「塩化水素は温度によって水に溶ける量が大きく変わるが、二酸化炭素はあまりかわらないから」になるということは、実は、上の(ii)の方を想定しているとも考えられます。
(ii)の方を想定しているとすると、
１．二酸化炭素も塩化水素もアンモニアも、沸騰水にある程度は溶けていられる。
２．沸騰した塩酸やアンモニア水から泡が出るのは気体の発生が速いからで、沸騰後に温度が下がった塩酸やアンモニア水から泡が出なくなるのは気体の発生が遅いから。
３．２のように塩酸やアンモニア水での気体の発生が速度が変わるのは、温度変化による溶解度の変化が原因。
ということになるでしょうか。

この回答への補足

非常に詳しい回答に感謝します。
まず、私が勘違いしていた点が二つあります。
（その１）沸騰した後も、火を止めるのではなく、そのまま観察したっぽいこと。
（その２）私は、試験官から出た水蒸気がビーカーに入ったときに泡が少しは出るかなー（？）と思っていたこと。Josquinさんによりますと、水蒸気は泡にならないと言うことですね。助かりました。

しかし、新たに疑問点が出てきました。
この入試問題では「食塩水」「石灰水」などの固体が溶けた水溶液も同様に実験されていて、その実験結果が「沸騰した直後はビーカー側に勢いよく泡が出る」「沸騰してしばらくたつと、泡の勢いは弱まる」とありますが、この現象はなにでしょうか？
まず、この泡は何なのか？そして、なぜ泡が弱まり、弱いながらも泡は出続けるのか？と言うことが疑問です。ちなみにこの過去問の「赤本」（英俊社）の模範解答には「石灰水が加熱したときに出る泡は水が水蒸気になったもの」とあります。ここで矛盾が生じます。なお、この泡というのは試験官の泡なのかビーカーの泡なのかも不明で、加熱と言うのは沸騰していると言うのか、それと関係ないのかは不明です。

そして、「二酸化炭素は沸騰してもすぐにはなくならなかった」と言うのはありえることなのでしょうか？確かにこれが正しければいろいろつじつまが合いますが、四谷大塚予習シリーズ５年下の１４３ページの「気体の溶解度」の表によると二酸化炭素は８０度以上になると解けられないような感じになってます。ちなみに塩化水素も同様です。ここがよくわかりません。

そしてネット上で見かけたのですが、塩酸・アンモニアは４０度ぐらいの低い温度で沸騰すると言うのは正しいですか？もしそうならば塩化水素などが出きってしまっても、１００度になってないので水蒸気は発生しないとか言うこともあるかと思います。

問題を見せられればいいのがもどかしいですが、引き続き教えてください。

補足日時：2008/10/27 11:42

No.1 回答者： doc_sunday 回答日時： 2008/10/23 14:29

塩化水素やアンモニアは圧力をかけなくても水に大量に吸収されて、塩酸とアンモニア水になります。

二酸化炭素を含む水は放置すると二酸化炭素をほぼ全部はき出してしまいます。
塩化水素もアンモニアも水中でイオン状態になり安定化されます。
ＨＣl → Ｈ^+ ＋ Ｃl^- (正しくはＨ^+は水分子と会合してＨ3Ｏ^+になっていますが)
ＮＨ3 ＋ Ｈ2Ｏ → ＮＨ4^+ ＋ ＯＨ^-
一方二酸化炭素は無極性分子であり水中で解離して炭酸(水素)イオンになる部分は非常に小さいのです。
ＣＯ2 ＋ Ｈ2Ｏ → Ｈ2ＣＯ3 → Ｈ^+ ＋ ＨＣＯ3^-
そのため二酸化炭素は「溶けていない方が安定」、塩化水素やアンモニアは「溶けている方が安定」と言えます。
そのため、加熱で「気体」の「溶解度」が下がり、気体が分離した後、冷却された場合、塩化水素やアンモニアは「再溶解」しますが、二酸化炭素はほとんど「再溶解」しません。

この回答への補足

この実験では、試験管から出て行った気体はガラス管を通って、ビーカーの水に溶けます。なので再び溶け直すことは無いです。それともう一度質問を絞ってみると（質問１）なぜ、沸騰しきった炭酸水を熱するのを止めても、気体(多分二酸化炭素）が出続けるのか？（その２）塩酸などは、なぜ沸騰するときに、泡が出てその後止まるのか。言い換えると、水蒸気は沸騰している間出続けるから、火を止めるまではビーカーに泡が出続けるんじゃないのかな？、ということです。伝わりましたかなぁ？
なお、ちなみに、これは中学入試の問題です（兵庫県：淳心学院、平成１８年度の最後の問題）。出来るだけ平易な表現で教えていただけると本当に助かります。

補足日時：2008/10/23 15:49