塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの化学反応式は？発生する気体は？作り方や覚え方のコツも！【混合物を加熱】

化学実験の中でも、アンモニアの発生実験は基礎的でありながら重要な実験の一つです。塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱すると、特徴的な刺激臭を持つ気体が発生します。

この反応で発生する気体は何なのでしょうか。化学反応式はどのように書けばよいのか。また、実験を安全に行うにはどのような注意が必要なのでしょうか。さらに、この反応式を効率的に覚える方法はあるのでしょうか。

本記事では、塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの化学反応式、発生する気体の性質、実験方法と注意点、効果的な覚え方まで、実験化学の観点から徹底的に解説していきます。反応のメカニズムや実験のコツについても詳しく見ていきましょう。

この反応を正確に理解することで、気体の発生実験の基礎が身につくはずです。

塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの反応の基礎

それではまず、塩化アンモニウムと水酸化カルシウムが反応する際の基本的な化学式について解説していきます。

反応で発生する気体

塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱すると、アンモニア（NH₃）が発生します。

アンモニアは無色の気体で、以下のような特徴を持っています。

項目	特徴
化学式	NH₃
色	無色
臭い	刺激臭（特有の鼻を突く臭い）
水への溶解性	非常に高い（塩基性を示す）
密度	空気より軽い（分子量17）
毒性	あり（高濃度では危険）

化学反応式

塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの反応は、以下の化学反応式で表されます。

この式の各部分の意味を詳しく見ていきましょう。

反応物側

– 2NH₄Cl：塩化アンモニウム（固体）
– Ca(OH)₂：水酸化カルシウム（固体）

生成物側

– CaCl₂：塩化カルシウム（固体）
– 2NH₃↑：アンモニア（気体）
– 2H₂O：水（液体）

↑の記号は、気体が発生することを示しています。

係数のバランスに注意しましょう。塩化アンモニウムが2分子必要であり、それに伴ってアンモニアと水も2分子ずつ生成します。

反応の仕組みとメカニズム

この反応がなぜ起こるのか、そのメカニズムを理解していきましょう。

弱塩基の遊離反応

この反応は、弱塩基の遊離という現象の一例です。

水酸化カルシウムは強塩基であり、塩化アンモニウム中のアンモニウムイオン（NH₄⁺）から水素イオン（H⁺）を奪い取ります。

生成したアンモニアは弱塩基であり、水に溶けやすい性質がありますが、加熱することで気体として系外に逃げていくのです。

イオン反応式による表現

より詳しく理解するため、イオン反応式で表すと以下のようになります。

反応前後で変化していないイオン（Ca²⁺とCl⁻）を除いた正味のイオン反応式は、以下の通りです。

この式から、本質的にはアンモニウムイオンと水酸化物イオンの反応であることがわかります。

実験方法と操作手順

続いては、実際に塩化アンモニウムと水酸化カルシウムを反応させてアンモニアを発生させる実験方法を確認していきます。

必要な器具と試薬

アンモニア発生実験に必要な器具と試薬をまとめます。

器具

器具名	用途
丸底フラスコまたは試験管	反応容器
ガラス管	気体の導出
ゴム管・ゴム栓	装置の接続
ガスバーナー	加熱
スタンド・クランプ	器具の固定
水槽または集気瓶	気体の捕集
リトマス紙	気体の確認

試薬

– 塩化アンモニウム（NH₄Cl）：白色の結晶性粉末
– 水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）：白色の粉末（消石灰）

両者とも固体であり、混合しやすい形態です。

実験手順

アンモニアを発生させる基本的な実験手順を説明します。

気体の捕集方法

アンモニアの捕集には、その性質に応じた方法を選択する必要があります。

上方置換法

アンモニアは空気より軽いため、上方置換法が適しています。

集気瓶を口を下にして、発生した気体を下から入れます。空気より軽いアンモニアが上に溜まり、重い空気が押し出される仕組みです。

気体の確認方法

発生した気体がアンモニアであることを確認する方法は以下の通りです。

確認方法	結果
湿った赤色リトマス紙	青色に変化する
濃塩酸を近づける	白煙（塩化アンモニウム）が発生
フェノールフタレイン溶液	赤色に変化する
臭い	特有の刺激臭

実験上の注意点と安全対策

続いては、この実験を安全に行うための注意点を確認していきます。

アンモニアの毒性と取り扱い

アンモニアは毒性を持つ気体であるため、取り扱いには十分な注意が必要です。

健康への影響

濃度	影響
25 ppm	臭いを感じる
50 ppm	目や鼻への刺激
100 ppm	咳、目の痛み
500 ppm以上	呼吸困難、粘膜の損傷
5000 ppm以上	生命に危険

安全対策

実験を安全に行うための基本的な対策は以下の通りです。

– 換気の良い場所またはドラフト内で実験する
– 保護メガネを着用する
– 大量のアンモニアを発生させない
– 顔を反応容器に近づけない
– 実験後は装置を十分に換気する

加熱時の注意点

混合物を加熱する際にも、いくつかの重要な注意点があります。

加熱方法

– 最初は弱火で、徐々に温度を上げる
– 急激な加熱は避ける（突沸の危険）
– フラスコを均一に加熱する
– 過度の加熱は避ける（反応が激しくなりすぎる）

装置の注意点

– ゴム栓はしっかりと固定するが、完全密閉は避ける
– ガラス管の先端は液体に浸さない
– 加熱中は装置から離れない
– 加熱を止める際は、先にガラス管を液体から離す

廃液・廃棄物の処理

実験後の処理も適切に行う必要があります。

固体残渣の処理

反応後の固体（主に塩化カルシウム）は、水に溶かして希釈した後、中和して廃棄します。

アンモニア水溶液の処理

アンモニアを水に吸収させた溶液は、希塩酸などで中和してから廃棄します。

中和後の溶液はpH試験紙で中性付近であることを確認してから廃棄しましょう。

反応式の覚え方と理解のコツ

最後に、この化学反応式を効率的に覚え、理解を深める方法を見ていきましょう。

反応式の構造を理解する

暗記する前に、反応式の構造を理解することが重要です。

イオンの組み換えとして理解

この反応は、イオンの組み換えと弱塩基の遊離として理解できます。

NH₄⁺とOH⁻が反応してNH₃とH₂Oになることが、この反応の核心部分です。

係数の決め方

反応式の係数は、以下の手順で決定できます。

効果的な覚え方

反応式を効率的に覚えるコツを紹介します。

語呂合わせ的アプローチ

「塩アン2つに消石灰、塩カルできてアンモニア」

– 塩アン：塩化アンモニウム（NH₄Cl）が2つ
– 消石灰：水酸化カルシウム（Ca(OH)₂）
– 塩カル：塩化カルシウム（CaCl₂）
– アンモニア：NH₃が発生

反応の型を覚える

「塩＋塩基→別の塩＋弱塩基（気体）」という反応の型として覚えると、類似の反応にも応用できます。

塩	塩基	生成塩	発生気体
NH₄Cl	Ca(OH)₂	CaCl₂	NH₃
NH₄Cl	NaOH	NaCl	NH₃
(NH₄)₂SO₄	Ca(OH)₂	CaSO₄	NH₃

どの組み合わせでも、アンモニウム塩と強塩基を反応させるとアンモニアが発生することがわかります。

類似反応との比較

他の気体発生反応と比較することで、理解が深まります。

弱酸の遊離反応との対比

塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの反応は「弱塩基の遊離」ですが、類似の「弱酸の遊離」反応も存在します。

どちらも「強いもの」が「弱いもの」を追い出す反応です。

他の塩基との反応

水酸化カルシウムの代わりに水酸化ナトリウムを使用しても、同様の反応が起こります。

この場合、係数がより簡単になることに注目しましょう。Ca(OH)₂はOH⁻を2個持つため係数が2倍になりますが、NaOHはOH⁻を1個しか持たないため、1:1の反応になるのです。

まとめ

塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱すると、化学反応式 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O で表される反応が進行し、アンモニアが発生します。この反応は弱塩基の遊離反応であり、強塩基である水酸化カルシウムが、弱塩基であるアンモニアを塩から追い出すのです。

発生するアンモニアは無色で刺激臭を持つ気体であり、塩基性を示します。実験では上方置換法で捕集し、湿った赤色リトマス紙を青変させることで確認できるでしょう。

実験を行う際は、アンモニアの毒性に注意し、換気の良い場所で行うことが必須です。適切な加熱方法と装置の取り扱いを守り、実験後の廃棄物処理も適切に行う必要があります。

反応式を覚える際は、係数のバランスに注意し、イオンの組み換えとして理解することが効果的です。類似の反応と比較しながら学習することで、気体発生反応全般への理解が深まるはずです。