窒素

空気の成分は、酸素と窒素が主ですが瓶の中などでロウソクを燃やすと酸素が使われて、二酸化炭素ができます。

それで瓶の中に残った空気中には窒素のほかに、二酸化炭素もふくまれているわけです。

図のように、底のない瓶の中で黄リンを燃やすと酸素が使われて五酸化リンができます。

五酸化リンは水に溶けるので酸素の量だけ水が瓶の中にあがりあとに、窒素とアルゴンが残ります。

窒素の製法

窒素は、酸素と同じように液体空気から分けてとりだされます。
これは、液体から気体になる温度が酸素と違うことを利用するのです。

窒素の性質

窒素は、色もにおいもない気体で比重は、空気を1とすると0.967です。

窒素は、酸素と違って物を燃やすはたらきをもっていません。
また、人をはじめ、ほかの動物も窒素だけの中では生きていられません。

しかし、窒素は毒ではありません。
窒素は、アンモニアや硝酸カリウムとなって植物の肥料になっています。

窒素肥料とよばれているのはこれら植物の生長を助ける窒素化合物のことです。

また、食物にふくまれていて私たちになくてはならない栄養素のたんぱく質も、窒素をふくむ化合物です。

窒素の用途

液体窒素は、液体酸素と違って物を燃やす心配がないので温度を低くしなければできない研究などによく使われます。

また、窒素が物を燃やさない性質を利用して、電球につめられます。

しかし、このように窒素がそのままで使われる例は少なくたいてい、アンモニアや硝酸などのように窒素を化合物としてから利用しています。

窒素化合物は、火薬・染料・医薬品などいろいろなものの原料として使われるのです。

アンモニア

窒素と水素を体積で1対3の割合にまぜ大きい圧力をかけ、50℃ぐらいに熱するとアンモニアができます。

このとき、触媒として、鉄に酸化アルミニウムをまぜたものを使います。

また、実験室でアンモニアをつくるには試験管に塩化アンモニウムと水酸化カルシウム（消石灰）を入れて熱します。

アンモニアは、鼻をつくようなにおいのある無色の気体です。
空気より軽く、水によく溶けます。
その水溶液をアンモニア水といい塩基性をしめします。

また、アンモニアは液体になりやすく15℃では7気圧、零下33℃は1気圧でも液体アンモニアになります。

この液体アンモニアが気体になるときは周りから大きな熱量を奪うので氷をつくったり、物を冷やしたり凍らせたりするときに使われます。

アルゴン

アルゴンは、空気中に1パーセントしかない気体です。
燃えもせず、物が燃えるのを助けるはたらきもなくまた、どんなものとも化合しません。

電球などにつめておくとフィラメントが蒸発するのをふせげるのでガス入り電球に利用されています。

酸素の性質

酸素は、色もにおいもない気体です。
水には溶けにくく、20℃の水1立方センチにたいして
0.031立方センチしか溶けこみません。

比重は、空気を1とすると1.105です。
酸素は、物が燃えるのを、助けるはたらきをします。

空気中で物が燃えるのも、酸素のはたらきによるのですが
空気は、酸素が4倍もの窒素で薄められているので、物の燃え方も静かなのです。

酸素のこのはたらきを調べるには集気瓶に集めた酸素の中で
いろいろな物を燃やしてみるとよくわかります。

実験

①燃焼さじに、硫黄の粒か粉を少しとって
アルコールランプの炎にかざして燃やします。

空気中では、うす紫色の弱弱しい炎を出して
燃えますが、これを酸素の入った瓶の中に入れると、激しく燃えだします。

②鉄製の針金の先に小さい木ぎれをむすびつけ、この木ぎれに火をつけます。

このままでは、鉄が燃えだすことはありませんが
これを酸素の入った瓶の中に入れると鉄が激しく燃えます。

③赤く火のついた木炭の1かけらを
酸素の中に入れると、激しく燃えだします。

このような実験によって
酸素には、物を燃やすはたらきがあることがわかります。

もし、空気中に窒素がなくて酸素ばかりだったら
ちょっとマッチをすっても、激しく燃えだし
間違えると大火事になってしまうわけです。

酸素の用途

酸素は、生物の呼吸になくてはならぬものです。
それで、潜水夫や呼吸困難な病人の吸入用などに使われます。

また、酸素アセチレン炎といって酸素とアセチレンをいっしょに燃やすと高い温度の炎がでるので鉄の溶接や、切断などに利用されます。

そのほか、金属の製練や炉を使う工業にまた、口ケットの燃料などとして大量の酸素が使われます。

オゾン

乾いた酸素中か空気中で火花を飛ばさない放電を行うと酸素の一部がかわってオゾンができます。

ふつうの酸素は、2つの酸素原子が集まって、1つの分子になっていますがオゾンは、3つの酸素原子で、1つの分子を形づくっているものです。

オゾンは、特別のにおいのあるうす青色の気体で、殺菌力や漂白作用（色を白くする作用）が強くまた、酸化されやすいものに触れるとそのものを酸化して、すぐふつうの酸素にもどる性質をもっています。

このような性質を利用して空気や飲料水の消毒、油の漂白、酸化剤などとして使われています。

オゾンは、放電によるだけでなく紫外線が空気にあたるときなどにもできます。

酸素の工業的製法

酸素を大量につくるには空気中の窒素などを取り除いて酸素だけにする方法が主に使われます。

空気を圧縮して、急に膨張させると温度が下がって冷えます。

これをくりかえして、零下190℃ぐらいにすると空気の一部が液体になります。

これを液体空気といいます。

この場合、酸素のほうが先に液体になりますができた液体空気中には、窒素もたくさんまじっています。

この液体空気をゆっくり蒸発させると窒素が先に気体になって逃げあとには、純粋にちかい青い色をした液体酸素が残ります。

液体酸素を保存するにはジュワー瓶という、特別な入れ物に入れます。

また、気体にして保存するには鉄でつくったボンベという入れ物を使います。

酸素の実験室的製法

過酸化水素から酸素をつくる

過酸化水素に二酸化マンガンを触れさせると過酸化水素が分解して、酸素が発生します。

実験するときは、過酸化水素のうすい水溶液（過酸化水素水）を使います。

フラスコの中に二酸化マンガンを入れ、その上から過酸化水素水を注ぎます。
発生した酸素ば、ガラス管を通して水中で水を満たした集気瓶の中に集めます。

このとき、はじめに出てくる気体にはフラスコ内の空気がまじっているので、ある程度たまったらいちど捨てまた水を満たした集気瓶をおいて発生する酸素を集めます。

過酸化水素は、それだけでもいくらかは分解して酸素をだしますが二酸化マンガンを触媒としてはたらかせると分解が激しくなるのです。

実験室で使う過酸化水素は薬局で売っているオキシドールを用います。
オキシドールは3パーセントの過酸化水素水で、消毒用に使われる薬品です。

工業用としては、30パーセントのものもありますがこのような濃いものは激しく分解したり、皮膚につくとその部分を白くしたりするので危険です。

3パーセントの過酸化水素水200立方センチ二酸化マンガン5グラムからは約2リットルの酸素がえられます。

酸素が集気瓶にたまったら水の中でガラス板のふたをし、水中からとりだします。

酸素の比重は、空気より少し大きいのでふたをした瓶は、口を上にしておいておきます。

塩素酸カリウムから酸素をつくる

塩素酸カリウムは、無色透明の板のような結晶をした薬品です。

下の図のような装置で、試験管の中に塩素酸カリウムと二酸化マンガンを入れて熱すると塩素酸カリウムが分解して、酸素が発生します。

塩素酸カリウムだけでも、溶けるくらいに熱すれば分解しますが、触媒として二酸化マンガンを加えると早く分解して溶けないうちに酸素がでてしまいます。

塩素酸カリウムと、二酸化マンガンをまざるときは、乳鉢の中などですりあわせると爆発する恐れがありますから必ず、紙の上などで軽くまぜあわせるように注意します。

過酸化水素や塩素酸カリウムが分解しているとき、フラスコまたは試験管からでているガラス管の先にマッチの火の燃え残りをもってくると激しく燃えだして再び炎がつきます。

これは、発生する気体が酸素であることを確かめる便利な方法です。

空気

空気は、目では見ることができないものなので私たもの身の周りにあることがわかりにくいものです。

しかし、風となって、私たちにふきつけたりすると風がふいたといって何かがあることがわかります。

そして、それは空気が動いてつきあたったためだということに気がつくでしょう。

また、からのコップを逆さまにして水の中に押し込んでみると水はコップの中にまで入ってきません。

これは、コップの中に空気があるためです。
このコップを少しずっ傾けていくと空気が泡になって出ていくのが見られます。

空気の性質

空気は、色もにおいもない気体で水にはあまり溶けません。

重さは、水の約1000分の1で0℃1気圧の空気1リットルの重さは1.293グラムしかありません。

実験

1リットルの丸底フラスコに100立方センチほどの水を入れます。

フラスコの口には、ガラス管をさし通したゴム栓をしてガラス管の上のほうにはゴム管をつないでおきます。

①まず、プラスコの底をアルコールランプで熱しよく沸騰させてから上のゴム管にガラス棒をさしこんで管の囗を塞ぎます。

そして火を消し、中の水がよく冷えたらフラスコの重さをはかります。

②次に、ゴム管にさしこんだガラス棒をぬきガラス棒もいっしょにしてフラスコの重さをはかります。

すると、①のときに比べて約1グラム重くなったことがわかります。

これは、熱いうちは水蒸気がフラスコにいっぱいになり、空気が追い出されれるのです。

ところが、冷えてくると水蒸気は水になり管の口を開けたとき外から空気が1リットルほど入ってくるのでそれだけ重さが増したわけです。

空気の成り立ち

空気中では、いろいろな物が燃えます。
ところが、口を塞いだ瓶の中などでは空気が入っていても、しばらくは燃えていますが、やがて消えてしまいます。

これは空気が物を燃やすはたらきのあるものと燃やすはたらきのないものとからできているためです。

物を燃やすことのできるものは酸素という気体で、空気の約5分の1を占めています。

残りの5分の4は、物を燃やすことのできない気体で、大部分が窒素です。

また、ごく少し、空気の1パーセントぐらいはアルゴンという気体です。

水の場合は酸素と水素とが化合して水という物質の分子になり、それが集まって水ができています。

しかし、空気は酸素の分子、窒素の分子、それにわずかなアルゴンの分子がまじりあってできているのです。

これらの気体のまじりあう割合は酸素21、窒素78、アルゴン1です。

実験

試験管の内側を水でぬらし、鉄粉をつけます。
この試験管を、水を入れたガラスの水槽の中に、逆さまにして立てておきます。

一週間ほどしてから試験管の内部の様子を見ると鉄粉は赤くさび、しかも、試験管の中の水面が、はじめよりも5分の1ほどあがっています。

この試験管の口を、水槽の中にガラス板を入れてふたをしてからおもてに取り出し口を上に向けて、すばやく燃えているロウソクを入れます。

すると、火はすぐに消えてしまいます。
これらのことから、次のようなことがわかります。

つまり、鉄がさびたのは試験管の中の酸素とむすびついたのです。

水が、前よりも5分の1あがってきたのは、それだけの酸素があったことです。

そして物を燃やさない気体が残ったのです。

これが爆発です。

燃える気体と空気とのまじった物が爆発するときは多量の熱が発生するので、気体が急に膨張しその圧力で周りの物を壊したり、音をたてたりするのです。

爆発は、燃える気体ばかりでなく燃える性質をもった液体や固体の細かい粒が空気にまじっているときにも起こります。

ガスの爆発

ガスと空気のまざったものをガラス管につめてそのはしに火をつけると、炎がすばやく中のほうにはしります。

これも爆発ですが、この爆発はあまり恐ろしくはありません。

しかし、この混合ガスがフラスコや口の小さな瓶などに入っているときはその入れ物が壊れて飛び散ります。

ガスが部屋に漏れて、空気とまざったときに火をつけると、爆発することがありたいへん危険です。

水素の爆発

水素と空気とのまざったものは、そのまざり具合で爆発します。

このときの爆発の激しさは水素と酸素のまざり具合で違い体積で、水素2に酸素1の割合でまざっているときにいちばん激しく爆発します。

これは、水素と酸素が2対1の割合でまざっているとき火をつけると全部が瞬間的に化合してしまうからです。

空気中には酸素が5分の1ふくまれているので水素と空気の場合は2対5になるわけです。

しかし、水素の割合が多少違っても爆発は起こります。
燃える気体が空気中に何パーセントから何パーセントまでふくまれていると爆発するというこのパーセントの範囲を爆発範囲（爆発の限界）といいます。

水素の場合は、空気中に水素が体積にして4～75パーセントまでの範囲にふくまれているとき、爆発を起こします。

ですから、爆発範囲の大きいものほど取扱いが危険なわけです。

花火と火薬

爆発というと、すぐ火薬を思いだします。
火薬のうちでも、古くから知られているものに黒色火薬があります。

この火薬をかんたんな遊びに利用したものが線香花火です。

線香花火の火薬は、硝酸カリウムと硫黄・木炭などからできています。

硝酸カリウムは熱すると酸素を出しそばにある硫黄や木炭を激しく燃やすのです。

このように、花火や黒色火薬には酸素を出す薬品がまぜてあります。

工事などで使う火薬には、ダイナマイトなどがあります。
ダイナマイトは、ニトログリセリンという化合物を使ったものです。

このような強力な火薬を爆薬といい、空気中から酸素をとらなくてもその火薬だけで激しく反応して、短時間にたくさんの気体と熱を発生するのでその圧力を利用しているのです。

炎の部分と性質

物がよく燃えるためには、燃える物が空気によく触れることが必要です。

ロウソクの炎の仕組みで調べた各部分の色の違いはロウの気体の燃え方が部分によって違うからです。

芯の周りの光らない部分にはロウの気体はあるのですがそれが、空気に触れないため燃えていないのです。

ここの温度は低く、約400℃ぐらいです。

その外側の明るい部分は、この気体が燃えているところです。

しかし、空気と充分に触れあわないので完全に燃えず、気体にふくまれていた炭素が燃えきらないで小さな粒になってでてきます。

この粒がススです。

そしてこの炭素の粒が1000℃以上に熱せられて明るく光り全体として明るい部分を形づくっています。

その外側のうすい光のさやは空気によく触れるため完全に燃えているところで温度も1400℃ぐらいです。

実験

①太さ2ミリぐらいの針金を炎に入れてみると炎の明るく光る部分にあたったところだけにススがつきます。

このススは、燃えきらない炭素の粒なのです。
炎心や、外炎の部分にあたった針金にはススがつきません。

②ガラス管を短く切ったものを炎心の部分に差し込むと他のはしから白い煙のようなものがでます。

これに火をつけると炎をあげて燃えます。

同じことを、炎の明るい部分ですると黒い煙がでて火をつけるとときには赤茶けた炎が少しでます。

また、外炎の部分に管をおいても燃える気体はでてきません。

これらのことからも、炎の部分によってロウの気体の燃え方が、それぞれ違うことがわかります。

アルコールランプの炎

アルコールランプの炎は、液体のアルコールが芯を這い上がり、そこで蒸発して気体となってから燃えてできたものです。

ところが、アルコールでは、炭素のふくまれ方が少ないので、炎にはススがでません。

そのために、炎に輝きがないのです。

しかし、このアルコールランプの炎の中に細かい土のような燃えない物質の粒か粉をふりかけると、星のように輝きます。

つまり、炎が明るく輝くのは炎の中に固体の粒があるときなのです。

アルコールランプの炎についてもロウソクの炎と同じ実験ができます。

ガスの炎

風のない部屋で、管の先からガスを少しずつだして火をつけると三角すいのような決まった形の炎ができます。

しかし、ガスのでかたが激しくなると炎の形は複雑になります。

私たちが見ると、分かれたたくさんの炎のように見えますが、実際には1つの炎が左右に揺れているのです。

また、台所のガスコンロやガスストーブには栓のところに空気をまぜるしかけがあります。

これらの器具を使うとき、空気穴を閉めたままだとだいだい色の大きな炎がでますが空気を入れると、青い小さな炎になります。

青い炎はガスが完全に燃えているときで赤い炎は、空気の入り方が充分でなくガスがよく燃えきらないときなのです。

しかし、空気を入れすぎると炎が消えたり、吹き飛んだりするので空気穴の調節はうまくしなければなりません。

ブンゼン燈を使うと、空気の入れ方と炎の様子との関係が、よくわかります。

ガスコンロやバーナーで、ガスに火をつけているときに空気を入れすぎると
炎が消えたように見えます。

これは炎がガスの入口のほうにうつって、そこで燃えているのです。
このようなときは、ガスの栓を止めて火を消さなければなりません。

実験

ブンゼン燈に1メートルほどのガラス管をとりつけます。
一定のガスを出しておいて、ガラス管の先に火をつけます。

空気穴を開けていくにしたがって炎の色はだいだい色から青い色にかわります。

空気が入りすぎると炎がガラス管を下がっていき空気の入れ方を少なくすると、また炎は上にあがります。

空気とガスの入る割合をうまくすると炎は管の一定のところにとまっていることもあります。

火

ふつう、物質が光と熱をだしながら燃えている状態を火といいます。
気体が燃えているときはとくに、炎といいます。　

石炭などが燃えているところを見ると炎がでていますが、この炎のもとのところにも石炭の火があります。

私たちがよく見る木炭やたき木などの火は炭素の火です。
しかし、固体のままで燃えるのは炭素ばかりではありません。

鉄を繊維にしたスチールウールはマッチの火でも燃えます。
これが小さいながら固体のままで燃えている鉄の火です。

そのほかの金属の粉もときには小さな火になって燃えることがあります。

炎

燃える気体が空気中にふきでて、それに火がついたものが炎です。

気体が燃えて炎ができることは家庭で使う都市ガスやプロパンガス・天然ガスなどで、よくわかるでしょう。

ロウソクなどの固体が燃えるときにも炎がでますが、これはロウが溶けて気体となりそれが燃えてできるものです。

また、マッチの軸に火をつけると燃えかかった木の部分から、思いがけない方向に炎がのびることがあります。

これは、軸から燃える気体がふきでるからです。
このように、固体が燃えて炎をだすときはその固体から燃える気体がでてそれに火がついて炎ができるのです。

液体が燃えるときも、その液体が蒸発して気体となりそれに火がついて炎がでるのです。

ロウソクの燃え方

燃えているロウソクを見るとまず、芯のまわりに溶けたロウの池ができています。

この溶けた口ウを観察しているとだんだんと芯を這い上がっていくことがわかります。

この口ウの上に、マッチの燃えかすの小さな炭の粉をうかせてみると、溶けたロウの動きがよくわかります。

芯を這い上がったロウはそこで気体となり、芯をとりまいて炎をつくっています。

ロウソクの炎を吹き消すと芯から、しばらくのあいだ白い煙があがります。

これは、ロウの蒸気が冷えてまた、ロウの固体の小さな粒になったものです。

ロウソクの炎の仕組み

ロウソクの炎には、明るい部分と暗い部分とがあります。

芯に近いところは、光がでていません。
この部分を炎心といいます。

その外側には明るく光ったさや形の部分かあります。
これは内炎といいます。

さらにその外側には、ちょっと見にくい薄暗い光のさや形の部分があります。

これは外炎といいます。

外炎はロウソクの芯に食塩などをつけて燃やすと見やすくなります。

炎を、幻灯機の光などで白い紙にうつしてみると、炎の観察がしやすくなります。

このとき、いちばん外側に大きな炎のような影がうつって見えます。
これは、外炎の部分です。

このようにしてうつされた外炎は一種のかげろうで炎の周りに温度の高い気体が立ちのぼっているのです。