砂糖の発火
概要
“火を使わない”で、化学反応を使って砂糖を燃やす
薬品
白砂糖(C12H22O11)、塩素酸カリウム(KClO3)、濃硫酸(H2SO4)
マグネシウム粉末(Mg)
使用器具
2mLピペット×1
水槽、三脚、ろ紙、アルミカップ、薬さじ
実験手順
以下全ての手順はドラフト内で行う
1. 水槽に土を敷き（水を張り）、そこに三脚を立て、その上にろ紙を設置する。
2. アルミカップを2枚重ねた上に、砂糖と塩素酸カリウムを3:4で混ぜたものを乗せる。
3. 手順1のろ紙の上に手順2のアルミカップを乗せ、濃硫酸をその上に垂らす。
原理説明
※noteの仕様上、イオンの正負符号などを小文字で表記できていません。
気になる方は、PDF版をご覧ください。
＜作用・条件＞
今回の実験で火を使わずに砂糖(炭素)を燃やせたことには、
“硫酸の脱水作用”と“燃える3条件”が関わっています。
どのような作用・条件か以下で解説します。
1. 硫酸の脱水作用
硫酸には脱水作用という性質があります。
これは読んで字のごとく、物質から水分を抜き取る作用です。
この作用によって、水分を抜き取られた物質は熱を出します。
脱水作用が起こる仕組みは、硫酸がH+(水素イオン)を相手物質の非共有電子対の部分(OH)に投げて、相手のOHと繋がりH2O(水)として生成することで、水分が抜かれるというものです。わかりやすくするために以下の図に示します。
2. 燃える3条件
特に受験生は聞いたことがあるのではないでしょうか。これは物が燃えるために必ず必要な条件のことを言い、「①燃えるもの ②発火点以上の温度 ③酸素」の3つが揃うことで物が燃えます。
＜実験原理＞
以上2つの作用・条件を踏まえて、実験における反応を解説していきます。
① 燃えるもの
今回の実験の主役である白砂糖の主成分はショ糖(C12H22O11)と呼ばれる糖で、C(炭素)を含んでいるので、”燃えるもの”である。
② 熱
硫酸を砂糖にかけると＜硫酸の脱水作用＞によって砂糖の水分が奪われ、”熱”が出る。
C12H22O11 ＝ 12C ＋ 11H2O ＋ 熱
③ 酸素
砂糖と一緒に混ぜた塩素酸カリウム(KClO3)は、分子内に大量の酸素を含んでおり、硫酸が存在する条件下で強い酸化剤として働き、大量の”酸素”を放出する。
2KClO3 → 2KCl ＋ 3O2(酸素)
以上、＜燃える３条件＞が火を使わずに揃ったことで、
火を使わずに砂糖を燃やすことができた。
全体の反応式は以下の通りである。
C12H22O11 ＋ 12O2 → 12CO2 ＋ 11H2O
補足説明
この実験では塩素酸カリウムが使われているため、炎の中に金属であるカリウムの赤紫色の炎色反応が観察できる。また、砂糖はショ糖以外でも代用可能である。
よくある質問
Q1硫酸の他に塩酸などは使えないの？
A1 今回は火を使わずに砂糖を燃やすという実験なので、火を使わずに熱を出すために硫酸の脱水作用を用いました。また、酸素を出す物質である塩素酸カリウムは硫酸の酸性条件下でないと酸素を放出しないという性質があります。そのため、硫酸と似ている、物質を溶かす性質をもった塩酸や水酸化ナトリウムではこの実験が成り立ちません。
Q2 砂糖以外でも出来るの？
A2 出来ます
この実験において、燃える物であるCと硫酸の脱水作用が働くための水分を持っていれば砂糖の代用になります。なので、食パン・ご飯などの発火もあり得ますが、砂糖は粒状になっていて酸素と反応する表面積が圧倒的に上に挙げたものより多いため、反応しやすく激しく燃えるので砂糖にしています。
Q3 なんでマグネシウムを入れているの？
A3 燃えるとき火花が散ってキレイに見えるから
参考文献
・2021年度 海城化学部誌
・2022年度 海城化学部誌
・加藤俊二 『身の回りを化学の目で見れば』 pp.26~27
・『希硫酸, 濃硫酸, 熱濃硫酸の違いと7つの性質』
KCC Quiz 砂糖の発火編
Q1. 砂糖の発火の実験で白砂糖の代わりにできないものは何でしょう？
①塩 ②米 ③黒糖 ④小麦粉
Q2. 砂糖の発火の実験を行なった大きな箱のような機械を何と呼ぶでしょう?
①ドリフト ②ドラフト ③宝箱 ④重箱
Q3.砂糖の発火で使えるのはどれでしょう？
①希硫酸 ②濃硫酸 ③塩酸 ④酢酸