気体の集め方、それぞれのメリット・デメリット

水上置換法

上のイラストからもわかる通り、試験管を水の中に沈めた状態で、中に入っていた水と発生させた気体を置換（置き換えること）して集めるため、「水上置換法」という名前が付けられています。

水上置換法の最大のメリットは

ほぼ純粋な気体を集めることができる！というところ

上方置換法や下方置換法と異なり、もともと集めるための試験管には、空気が入っていないから、発生させた気体がほぼ100％、純粋な気体を集められるわけですね。
また、集めた気体の量がわかりやすいのもメリットの一つですね。

さて、デメリットは、水に溶けやすい気体を集められないという点。例えば、アンモニアや塩化水素などは水に溶けやすいため、全く集まりません。こういった気体は上方置換法や下方置換法で集めるわけですね。

水上置換法の注意点は「最初の試験管に集めた気体は使わない」ということです。
これは実験中に間違えやすいですね！

イラストを見てもらうと、左の試験管の中には、空気が入っていますね。（液体が入っていない部分）
反応させて気体を発生させても、最初に出てくるのは、試験管やガラス管にもともと入っていた空気なので、最初に集めた気体はほとんど空気というわけですね！！

ちなみに、水上置換法で集められる気体は、水素、酸素、二酸化炭素（多少水に溶けてロスはある）といったところです。

上方置換法

試験管を下向きにして、気体を上方で集めるため、「上方置換法」といいます。
試験管の向きは逆です！混同しないようにしましょう！！

上方置換法で集められる気体は水に溶けやすく、水上置換法で集められない気体で、特に「空気よりも軽い気体」です。
具体的にいうと中学では、アンモニアくらいですね。

100％純粋な気体が集められないのが、デメリットの一つですね。
そして、どのくらい集まったかわからないのも欠点です。

効率よく集めるコツはガラス管をなるべく試験管の奥のほうまで入れて、もともと入っている気体を追い出すようにすることです！

下方置換法

下方置換法は完全に上方置換法の逆ですね。
試験管は上向き、集められる気体は水に溶けやすく、「空気よりも重い気体」です。

例を挙げると、塩素、塩化水素、二酸化炭素も水に少し溶けるので、下方置換法でも集められますね。

オマケ　空気分離法

実験では、酸素は二酸化マンガンとオキシドールを混ぜて発生させますが、実際工場では、そんなことはしていません！
では、どのようにしているのか、それは、

空気中の酸素を取り出している！！

どうやっているのでしょう？
空気は78％の窒素と、21％の酸素、0.9％のアルゴンなどでできています。
この空気から酸素を分離しているんです！

その方法は、沸点（気体が液体に変わる温度）の違いを利用しています。
酸素の融点は－183℃、窒素が－196℃なので、空気をその間の温度に冷やすと酸素は液体、窒素は気体の状態になって分けられるというわけです！！
方法は簡単に説明すると
①空気を圧縮する（温度が上がる）
②その状態で放置して冷やす
③圧縮を一気に戻すことで、温度を急激に下げる
という方法です。（ものすごく簡単に説明したので、実際はもっと多くのプロセスがあります。）

このような技術を聞くと、頭のいいひとすごいなぁと思いますね。

まとめ

水に溶けにくい気体は、ほぼ純粋な気体を集めることができる「水上置換法」で集める
水に溶けやすい気体で、空気より軽い気体は「上方置換法」、空気より重い気体は「下方置換法」で集める