触媒か酸化剤か。（大学受験）

質問

よろしくお願いします。

エタノール、2-ブタノールｗ温水に浸して温めた。
銅線をバーナーで熱し、それぞれの液面近くで上下させた。

という文があり、ここにおいて銅線はどのような働きをしたか、という問なのですが、

自分は、アルコールが酸化されたはずだから、酸化剤、としました。ですが、答えは、触媒になっていました。

ここは酸化剤でもいいですか。

よろしくお願いします。

回答No.6

htms42 · ベストアンサー

「銅線が触媒である」ということを問うような問題を出す大学があるのですね。
ここの回答でもかなりの疑問が提出されています。

触媒であるとする人の論拠は
＃１にも引用されている
「反応によって消費されても、反応の完了と同時に再生し、変化していないように見えるものも触媒とされる。」
というところでしょう。（そう主張する人は私の周りにもいます。）

しかし私にはしっくり行きません。
熱した銅線を液面近くに入れただけでは一回の反応で終わりです。再生は起こりません。人が使用済みの銅線を取り出して表面に酸化銅の膜を付けて再挿入しています。
反応としては熱した酸化銅の粉末を少しずつ加えていくというのと変わりません。この場合は反応済みの銅の粉が次々と底にたまります。
銅線の出し入れでやるというのはリサイクルです。銅の粉のロスを避ける方法だということです。

物質自体の働きで反応と再生を繰り返しているのであれば触媒と言ってもいいのかも知れませんが人が再生をやっているものを触媒と言うのには疑問を感じます。「触媒」とはある働きをする物質に対する言葉です。反応も再生も物質の働きとして存在していなければおかしいです。

似た場面は他にもあります。
亜鉛板と銅板を電極として食塩水でボルタ電池を作ったとします。
溶液の深さの２倍ほどの長さの銅板を使います。
ソーラーモーターをつなぐと数分間回って止まります。
銅板の上下を逆にして接続します。又数分間回って止まります。
人が上下を入れ替えることを繰り返している限り電池の働きが持続します。食塩水でぬれた銅板が空気中にさらされると酸素と反応して酸化銅になるようです。酸化銅ができているのではなくて銅板の表面に酸素が吸着しているだけかもしれません。
とにかく、人と銅板の働きで電池の働きが持続するのです。銅板は溶けるわけではありませんから量の変化はありません。
事情がよく似ています。
でも銅板が電池反応を触媒したなんて言いません。
たくさん銅板を用意しておいて次々と取り替えていくのと内容としては同じです。それを１枚の銅板でやっているというだけです。

「液面近くに持っていくが液の中には入れない」というのは反応の起こる条件ではありません。繰り返してやるための技術的な問題です。
急激に温度が下がるので反応しないで残る酸化銅の量が多くなります。きれいな銅に戻る（酸化銅の還元）ということも見れなくなります。
液に浸けないでやれば温度が下がるまでに数回の出し入れが可能です。温度が下がったときの再加熱もスムースにやれます。

お礼

ありがとうございます。
微妙な問題だったようです。

回答No.9

htms42

＃６、＃７です。
問題文を読みました。
この問題ではアルデヒドができるということだけでいいはずです。
「銅線の働きは何か」という問いが後に続くようですが、付け足しの問題ですね。余計な問題をくっつけたのでおかしなことになってしまいました。

「試験管に・・・」
「銅線をバーナーで熱し、・・・液面近くで上下させた。」
「この操作を数回繰り返すと・・・」

やはり、いい加減です。
試験管の外に出すような「上下させた」だとは読み取れませんので酸化銅とアルコールとの反応は一回限りです。繰り返すのは一回ごとにバーナーで加熱という操作によってです。

バーナーで銅線を加熱
→試験管に挿入してアルコール蒸気と接触させる
→さめたら取り出してバーナーで加熱する

という繰り返しです。
「銅線を上下させる」というのは攪拌の意味しかありません。
これで「銅線は触媒として働いた」と答えさせるのだとしたらひどすぎます。

しつこく回等を書いています。

どこそこの大学で出たとなれば、「銅線は触媒として働いた」と答えるように指導する塾や予備校が出てくるでしょう。
「「？」のつく問題だ」ということよりも「出題された」ということのほうが重要だという対応になるでしょう。

しつこく叩いておかないと困ったことになります。

でもやはり無駄だったようです。
質問者様のお礼の文章（＃５）を読むと結局「触媒」だ結論付けておられます。受験生の立場で言うと「答えは何か」という問いのほうが優先するようですね。

繰り返しになりますが
「人が再生しない限り働きが続かないものを触媒であるとは言いません。触媒とはある働きをする物質のことです。反応も再生も物質自体の働きとして実現していなければいけません。」

ＯＫＵＲＡ１９５１様は「触媒」だと教えておられるようですね。

回答No.8

ORUKA1951

たしかにこういう実験は経験がないと答えられない問題ですね。

　私は、試験官にメタノールとエタノール、および水素ガス(これは逆さ)を入れて、生徒に実験をさせます。
　それぞれ銅線がめまぐるしく色が変わるのを見て子供たちは歓声を上げます。こんな簡単な実験は十数分もあればできるので、ぜひ挑戦させてほしいと思います。銅線は1.6mmか2mmの少し太めの銅線(工事店からもらってきた屋内配線用のVA線をばらす)を使い、すこし密に巻くのがミソですね。試験官は24mm程度がよいです。

　合わせて、二日酔いやアルコールの人体での代謝、飲酒の検知の説明や、質クハウス症候群の原因物質--ホルムアルデヒドの説明、触媒の話、さらに演示でショ糖に突っ込んで糖による還元など、たった一つの実験で多くのことを学べる--指導できる。
　資料集だけ与えて実験をほとんどしない事に問題があるのかもね。私の高校時代は実験のない化学の授業なんて一日もなかった。すべて二時間授業で、必ず何がしかの実験をさせてもらっていましたから、私もできるだけそれに倣っています。そのほうが座学だけより早く進めるし。余った時間は受験対策に存分に使える。

回答No.7

htms42

＃６です。
補足です。

＃６では「銅線を触媒と考えるのはおかしい」というのを書きました。
＞ここは酸化剤でもいいですか。
銅線は酸化剤でもありません。
酸化剤は酸化銅です。銅は酸化銅が還元された結果生じる物質です。

＃３にも書かれているように何が起こったかが書かれていない問題で「働きは何か」を問うこと自体おかしいのです。問題として成立していません。
問題としては、何が起こったかがわかるような、いくつかあるかもしれない変化のどの部分について問うているかがはっきりわかるような文章にするべきです。
容器が何かも書かれていません。試験管でしょうか、ビーカーでしょうか、時計皿でしょうか。
「上下させた」というのはどの程度でしょうか。
「銅線を」とだけ書かれています。それだけでいいのでしょうか。

問題にしようとしている現象が確実に起こるような場面設定にしなければいけません。不十分な場面設定を受験生が補って考える必要があるというのであれば不適切な問題であるということです。
「やったことがある人にはわかる」というのは成り立ちません。

図があればいくらか情報は増えますがこれだけの文章であれば問題にしている現象が確実に起こるという保障はありません。

「銅線を熱して」とだけ書いてあるのを読めば普通の銅線をそのまま熱してやるのだと思います。
実際にやるときは反応面積を大きくするためと銅線の熱容量を大きくするためにらせんに巻いたものを使います。そうでなければすぐにさめてしまいますから表面の酸化銅がなくなってしまったところで外に出しても新たに酸化銅のできる反応はもう起こらないということが起こります。反応は一回限りです。反応によって発生する物質の量もわずかです。冷えてしまえば上下させる意味はなくなります。「上下させた」のは「空気の攪拌だ」という解釈も成り立ってしまいます。
繰り返すためには一回ごとにバーナーで加熱するという操作が必要だということになります。＃２様は多分そう解釈しておられるだろうと思います。
試験管の場合で言うと「上下させる」のはらせん部分を完全に試験管の外に出してしまって空気と接触させるという操作のことです。単に「上下させる」というだけではわからない内容です。
（教科書に載っている図にも２通りあります。上下の矢印がただ銅線の横に書き添えられているだけのものと、銅線が試験管の中にある状態と外にある状態の２つの図の間に往復の矢印のあるものです。）

アルコール蒸気との反応を起こさせようとしていますから蒸気密度を高くする必要があります。液体のアルコールは少量しか必要ありません。普通は試験管を使います。
酸化銅の還元が起こることがはっきりしますので酸化も一緒に起こっているだろうということがわかります。一回の反応ではアルデヒドの発生量が少なくても繰り返すことができますからアルコールのにおいとは異なったにおいのする新しい物質ができていることがわかります。
アルデヒドの検出をシッフ試薬でやる場合であれば時計皿でやリます。銅線は液にじゃぶっと浸けてしまいます。

こういうことをいろいろ考えていくとこの問題の作成者もやったことはないだろうという推測が成り立ちそうです。
高校の教科書をぱらぱらと見て思いつきで作った問題でしょう。
こういう大学は受けないようにした方がよさそうです。
こういう問題を載せている問題集があるのであれば、別の問題集に変えた方がいいかもしれません。

お礼

ありがとうございます。

みなさんにすぐにお礼を書かないと、と思って書いてきたのですが、
あまりにも反響が大きいので、謝っておきます。

これは新潟大学の2009年の問題なのですが、
本文が大変長いため、自分はたいしたことないだろう、と
重要だと思われる部分のみで、残りを割愛しました。
そのために、あいまいな質問になってしまいました。
正式な問題を上にアップロードしました。

回答No.5

ORUKA1951

きちんと伝わってないかもしれないので、もう一度。この実験をしたことない人には難しいかも。あなたは経験がありますよね。

　まあ、家庭でも簡単に実験できるものですから、試してください。2-ブタノールは家庭用品では見かけないので試せませんが。
　銅線が液面に近づけると銅の光沢を取り戻し、遠ざけると黒っぽくなりますね。これは反応の前後で銅線が元に戻り、それ自体は結果的に変化せずに、繰り返し反応を進行させる触媒だということです。

【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
触媒（しょくばい、catalyst）とは、・・・【中略】・・・反応によって消費されても、反応の完了と同時に再生し、変化していないように見えるものも触媒とされる。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［触媒-Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%A6%E5%AA%92 )］より

　反応自体は
　C2H5OH + CuO → CH3.CHO + Cu + H2O
　　　　Cu + 1/2O2 → CuO
ですから、　　(Cu)
　C2H5OH + 1/2O2→ CH3.CHO + H2O
とまとめられます。
　熟れた柿の臭いというか、二日酔いの臭いというか・・独特の臭気が観察できるはずです。・・・高校の化学では定番ですね。

2-ブタノールは第２アルコールですから、ケトン(ここではMEK)が生成します。
　C2H5CH(OH)CH3 + CuO → C2H5.CO(CH3) + Cu + H2O
　　　　Cu + 1/2O2 → CuO
ですから、　　(Cu)
　C2H5CH(OH)CH3 + 1/2O2 → C2H5.CO(CH3) + H2O
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　MEK(メチルエチルケトン)

　実際にこれは、工業的にも行われている反応で、たとえば次のような記述があります。

【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
第２ブタノールを400～500℃気相で銅・亜鉛触媒によって、・・・【中略】・・・同じく脱水素することによってＭＥＫを製造している。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［触媒工業協会：触媒の話（コラム）( http://www.cmaj.jp/catalyst/column07.html )］より

★繰り返しますが、この問題のポイントは「液面近くで上下させた。」という記述なのです。もし「液面に近づけたら」という記述なら、酸化剤でよいのですが。

お礼

何度もありがとうございます。実験をしたことはないのですが、
資料集で確認しました。

なるほど、微妙ですが、大きな違いですね。
上下させた」したら、元に戻るので、触媒、
液面に近づけたら、それは酸化剤ですね。確かにこのときは酸化数は変化しています。
でも、遠ざけたら、元に戻るから、ですね。
それで、その場合は、触媒！

納得です。問題が悪いのでなくて、きちんと読んでいなかった自分のミスだと思います。

ありがとうございました。

回答No.4

ice rub（@icerub）

液面近くってことは、溶液に入ってないのですかね？
空気の攪拌が正解なのかな？　もしくは火傷の原因？
触媒という答えには無理がありすぎます
うーん　ウケを狙ったクイズとしか思えない

お礼

ありがとうございます。
やはり問題がよくなかったですか。

回答No.3

noname#160321

最低な出題。議論に値しない。
第一、結果が書いていない。
何も起きませんでした。と書いてあったらどうします？

お礼

ありがとうございます。
やはり問題がよくなかったですか。

回答No.2

noname#116453

問題が曖昧過ぎますね。

酸化剤になったのは、銅線の表面に生じた酸化銅(II)ですから、銅線は酸化剤ではないと言えます。じゃあ、触媒かといえば、銅線があることによってメタノールなどと空気との反応が加速されたというわけではないので触媒と言えるかどうか疑問です。
本来は「銅線（と酸素から生じた酸化銅(II)）が酸化剤となった」ということでしょうけど、前後の関係から（　）内を省いてしまえば、銅線が酸化剤になったということになります。いささか曖昧ではありますけどね。
また、触媒というのを最大限拡大解釈して、反応の前後で変化しないものと考えれば触媒と言えなくもないでしょうが、銅線をアルコールの容器に入れるのと、バーナーで加熱するのは別個の操作なので、ひとまとめにして触媒と言ってしまうのが適当とも思えません。、

お礼

ありがとうございます。
やはり問題がよくなかったですか。

回答No.1

ORUKA1951

ポイントは、
＞それぞれの液面近くで上下させた。
　　　　　　　　　　　　　　　　^^^^^^^^^^^^^
考えるのでしょうね。
　高温の銅線が、酸素をアルコールに渡している仲立ちで、最終的に銅線は変化していないと考えているのでしょう。
　触媒にはこのように反応の中間に直接かかわるものと、表面だけ提供しているものとありますがいずれも反応自体に関わっていることは間違いないですね。

【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
触媒（しょくばい、catalyst）とは、特定の化学反応の反応速度を速める物質で、自身は反応の前後で変化しないものをいう[1]。また、反応によって消費されても、反応の完了と同時に再生し、変化していないように見えるものも触媒とされる。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［触媒 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%A6%E5%AA%92 )］より

　突っ込みを入れたくなる微妙な問題だと言わざるを得ない。

お礼

ありがとうございます。
なるほど、触媒は直接反応にかかわるものと、かかわらないようにみえるものもあって、最初と最後で変化してないようにみえるが、
いずれにしても、実はかかわってるということですね。
微妙な問題でした。