鉄と硫黄の加熱：硫化鉄の生成と 7:4 の法則Heating Iron and Sulfur: Making Iron Sulfide and the 7:4 Ratio

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 鉄 7.0 g と硫黄 5.2 g を混ぜて加熱すると、硫化鉄は何 g できると思いますか。12.2 g すべてが硫化鉄になるでしょうか。If 7.0 g of iron and 5.2 g of sulfur are mixed and heated, how many grams of iron sulfide do you think will form? Will all 12.2 g become iron sulfide?💡 鉄と硫黄が結びつくとき、原子は何個と何個の組で結びつくのかに注目しましょう。Think about how many atoms of each element join together each time iron and sulfur combine.
2. 加熱する前の鉄と硫黄の質量の合計と、加熱したあと（硫化鉄と余った物質）の質量の合計は、どう比べられると思いますか。How do you think the total mass of iron and sulfur before heating will compare with the total mass after heating (iron sulfide plus anything left over)?💡 化学変化のとき、原子が新しく生まれたり消えたりするかを考えましょう。Think about whether atoms are created or destroyed in a chemical change.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態（「鉄 Fe の質量」7.0 g（原子 10 個）、「硫黄 S の質量」5.2 g（原子 13 個））で加熱のアニメーションを見て、原子モデルで Fe 原子と S 原子が1個ずつ組になって FeS になる様子を観察する。もう一度見たいときは「↺ 最初から加熱」を押す（途中で止めるには「❚❚ 一時停止」）。In the starting state ("Mass of iron (Fe)" 7.0 g (10 atoms), "Mass of sulfur (S)" 5.2 g (13 atoms)), watch the heating animation and see in the atom model how one Fe atom and one S atom pair up to form FeS. Press "↺ Heat again" to watch it again ("❚❚ Pause" stops it partway).
2. 反応完了後、「質量の比較（マクロ）」の「反応前」「反応後」の棒と、その下の「7:4 の法則」「余り」「質量保存」の表示を読む。After it is "Done", read the "Before" and "After" bars in "Mass comparison (macro)" and the "7:4 ratio", "Extra" and "Mass conserved" lines below them.
3. 「硫黄 S の質量」スライダーを 4.0 g（原子 10 個）にして加熱し、余りがどうなるかを確かめる。Set the "Mass of sulfur (S)" slider to 4.0 g (10 atoms), let it heat, and check what is left over.
4. 「鉄 Fe の質量」を 14.0 g（原子 20 個）に増やし（硫黄は 4.0 g のまま）、できる硫化鉄の質量と余りを確かめる。Increase "Mass of iron (Fe)" to 14.0 g (20 atoms), keeping sulfur at 4.0 g, and check the mass of iron sulfide formed and what is left over.
5. 「鉄 Fe の質量」を 2.8 g（原子 4 個）、「硫黄 S の質量」を 8.0 g（原子 20 個）にして、余る物質が入れかわることと質量保存の式を確かめる。Set "Mass of iron (Fe)" to 2.8 g (4 atoms) and "Mass of sulfur (S)" to 8.0 g (20 atoms), and check that the leftover substance switches and that the mass-conservation equation still holds.

3確かめようCheck

1. 最初の状態（鉄 7.0 g・硫黄 5.2 g）で、できた硫化鉄と余った物質はそれぞれ何 g でしたか。In the starting state (7.0 g iron, 5.2 g sulfur), how many grams of iron sulfide formed, and what was left over?→ 鉄 7.0 g と硫黄 4.0 g が反応して硫化鉄が 11.0 g でき、硫黄 1.2 g（原子 3 個）が未反応で残った。12.2 g すべてが硫化鉄になるわけではない。7.0 g of iron reacted with 4.0 g of sulfur to make 11.0 g of iron sulfide, and 1.2 g of sulfur (3 atoms) was left unreacted. Not all 12.2 g became iron sulfide.
2. 鉄 7.0 g・硫黄 4.0 g のときは、余りはありましたか。With 7.0 g of iron and 4.0 g of sulfur, was anything left over?→ 「余りなし（ちょうど 7:4 で全部反応）」と表示され、Fe 10 個と S 10 個がすべて組になり、硫化鉄 11.0 g だけができた。It showed "No extra (all reacted at exactly 7:4)": all 10 Fe atoms and 10 S atoms paired up, giving only 11.0 g of iron sulfide.
3. 鉄を 14.0 g に増やしても（硫黄 4.0 g）、硫化鉄の質量は増えましたか。When the iron was increased to 14.0 g (sulfur still 4.0 g), did the mass of iron sulfide increase?→ 増えなかった。硫化鉄は 11.0 g のままで、鉄 7.0 g（原子 10 個）が未反応で残った。硫黄が足りなくなった時点で反応が止まる。No. Iron sulfide stayed at 11.0 g, and 7.0 g of iron (10 atoms) was left unreacted. The reaction stops when the sulfur runs out.
4. 鉄 2.8 g・硫黄 8.0 g のとき、質量保存の式はどうなりましたか。With 2.8 g of iron and 8.0 g of sulfur, what did the mass-conservation equation show?→ 鉄 2.8 g と硫黄 1.6 g が反応して硫化鉄 4.4 g ができ、硫黄 6.4 g が余った。反応前の合計 10.8 g ＝ 4.4 g ＋ 6.4 g で、質量は保存されていた。2.8 g of iron reacted with 1.6 g of sulfur to make 4.4 g of iron sulfide, and 6.4 g of sulfur was left over. The total before, 10.8 g, equals 4.4 g + 6.4 g, so mass was conserved.

4考えようThink further

1. 反応する鉄と硫黄の質量の比が、いつも 7:4 に決まっているのはなぜですか。原子モデルを使って説明しなさい。Why is the mass ratio of iron to sulfur that reacts always 7:4? Explain using the atom model.→ 鉄原子と硫黄原子は必ず1個ずつ（1:1）結びつき、鉄原子1個と硫黄原子1個の質量の比が 7:4 だから。何組できても、反応した鉄と硫黄の質量の比は 7:4 のまま変わらない。Iron and sulfur atoms always join one to one (1:1), and the mass of one iron atom to one sulfur atom is in the ratio 7:4. However many pairs form, the reacting masses of iron and sulfur stay in the ratio 7:4.
2. 鉄 21 g をちょうど過不足なく硫化鉄にするには、硫黄は何 g 必要ですか。また、硫化鉄は何 g できますか。How many grams of sulfur are needed to turn exactly 21 g of iron into iron sulfide with nothing left over? How many grams of iron sulfide will form?→ 鉄:硫黄＝7:4 より、硫黄は 21 × 4/7 ＝ 12 g 必要で、硫化鉄は 21 ＋ 12 ＝ 33 g できる（シミュレーターの範囲外なので計算で考える）。Since iron : sulfur = 7 : 4, sulfur needed = 21 × 4/7 = 12 g, and iron sulfide formed = 21 + 12 = 33 g. (This is beyond the simulator's slider range, so work it out by calculation.)

よくある誤解Common misconceptions

• 「混ぜた鉄と硫黄はすべて硫化鉄になる（混ぜた量の比のまま反応する）」という考え。実際には 7:4 の比でしか反応せず、多すぎる方は未反応のまま残る。The idea that all the mixed iron and sulfur turn into iron sulfide (that they react in whatever ratio they were mixed). In fact they react only in the ratio 7:4, and the excess remains unreacted.
• 「反応で物質が変わると質量も変わる」という考え。原子の組み合わせが変わるだけで原子の数は変わらないので、反応前後で全体の質量は等しい。The idea that mass changes when substances change in a reaction. Only the way atoms are combined changes, not the number of atoms, so the total mass is the same before and after.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)