【化学基礎】４時限目　物質の構成③

こんばんd・・・！
【高校理科】【化学基礎】の時間だ！

前回は【分離操作６種】の内の２種、
【ろ過】と【蒸留】について学んだ。

今回は残りの４種を全部、と言いたいところだが、
またまたボリュームが凄いことになってしまったので
【再結晶】、【昇華(法)】の２つに絞って学んでいくよ！
最後の２つ、【抽出】と【クロマトグラフィー】はまた次回。

前回に引き続き今回の実験も
実施するには高校であっても割と難しいものなので、
文明の利器であり先駆者の遺産たる動画によって
お手軽Virtual Experimentかそうじっけんして行くます。

※動画先は私のチャンネルではありません。
動画先に対する感謝として
各動画にgood評価ボタンを押して下さいますよう
どうぞよろしくお願いします。

ではやって行こうか。

分離操作③　再結晶

【ろ過】と【蒸留】のテクニックも使かうハイブリッドな分離方法。
特に●●【固体】と【固体】の【混合物】に対して用いる。

【例】
砂糖と塩が混ざったものから塩だけを取り出したい。

ピンセットで１粒ずつ取り出す？
まあ不可能ではないかもしれないが絶対やりたくない作業だな。
そもそも砂糖と塩の見分けがつかないし。

そこで【溶解度】という特性を利用する。

動画の前に【溶解度】の説明をしておく。

【溶解度】

基本的に物質には水に溶け入る容量キャパがある。
有体ありていに言えば限界値みたいなもんだ。
【蒸留】の時に「物質の【沸点こせい】はそれぞれ違う」と話したが
この「水に溶け入る容量」ってやつも物質によってそれぞれ違うのだ。

任意の量の水に対して
ある物質は物凄く溶けるのに別の物質は殆ど溶けない、って感じで。
具体例で見て行こう。

【例】
ビーカーに25℃の水100mL（握り拳より少し小さいくらいの量）を入れた。
ガラス棒でかき混ぜながら塩を少しずつ入れた。
10g・・・20g・・・30gと入れて行き、
36gを越えたところで塩は以後は入れた分だけ溶けずに水中に残った。

これを【溶解度】という。
「25℃の水100mLに対する塩の【溶解度げんかいち】は36g」
というような表現になる。

S（NaCℓ）=　36g/100mL at 25℃

これを1mLに換算して表記すると

S（NaCℓ）=　0.36g/mL at 25℃

である。
※　Sようかいど はラテン語の Solubilis （溶けることが出来る）が由来。

また、【溶解度】は物質によってそれぞれ違うと前述した通り、
塩には塩の限界値、砂糖には砂糖の限界値があるのだ。

過去の化学者達の努力の結果として、
大抵の物質の【溶解度げんかいち】は調べ尽くされている。

砂糖ショとうなら25℃の水100mLには211g溶けることが出来る、
という感じでだ。

S（ショ糖）＝　211g/100mL at 25℃

そしてこれもまた【蒸留】の【沸点】の時と同じで
塩と砂糖を混ぜて同じ100mLの中に共存させても
それぞれの【溶解度】は変わらないこせいはまざらないことにも注意。

25℃の水100mL中に塩と砂糖ショとうが共存していても

S（NaCℓ）＝　36g/100mL
S（ショ糖）＝　211g/100mL

であり、【溶解度げんかいち】は統一されるわけではない。

だがしかし、
【溶解度】には「個性は混ざらない」以外に更に特殊な個性スキルがあって
なんと、「温度によって変動する」のだ。

水の温度が高くなると容量キャパが増加し、
水の温度が下がると容量キャパが減少するのである。

【例】
塩の【溶解度】を温度を変えて調べてみた。

ビーカーに30℃の水100mLを入れた。
ガラス棒でかき混ぜながら塩を少しずつ入れた。
10g・・・20g・・・30gと入れて行き、
37gを越えたところで塩は以後は入れた分だけ溶けずに水中に残った。

S（NaCℓ）=　37g/100mL at 30℃

別のビーカーを用意して20℃の水100mLを入れた。
ガラス棒でかき混ぜながら塩を少しずつ入れた。
10g・・・20g・・・30gと入れて行き、
35.8gを越えたところで塩は以後は入れた分だけ溶けずに水中に残った。

S（NaCℓ）=　35.8g/100mL at 20℃

更に別のビーカーを用意して30℃の水100mLを入れた。
ガラス棒でかき混ぜながら塩を37g入れた（飽和状態）。
この時、水を冷やして20℃にしたところ、
水中に塩が1.2gが析出せきしゅつした。

37g － 35.8g ＝ 1.2g

【まとめ】
・【溶解度】とは【液体】に溶け入ることのできる限界値のこと。
・【液体】の温度が高ければ高い程に溶けやすく、
　【液体】の温度が低ければ低い程に溶けにくい。
・【液体】の温度が下がって【溶解度げんかいち】が下がると
　既に溶けていた物質から溶解度の差分が析出せきしゅつしてくる。

味噌汁において、温度が高い方が味噌が溶かしやすいのはそういうことッ！

因ちなみに、【混合物】から特定の【純物質】を取り出すわけではなく、
単に温度変化による【溶解度】と【再結晶】の関係の説明だけなら
実は【中１理科●●●●】で実施済み●●●●っていうね、
ほんと恐ろしい事実がね、あるんですよ、ハイ。
時の流れってやつは残酷だぜ。

この先生の説明は凄く解り易い！

・・・解り易いのだが、現役●●？
・・・副ぎｙ・・・いや本当は現役ではないのかｍ・・・うっ、頭が。
まあ収益化しなければ問題ナシ！

さて、【溶解度】とはなんぞやが何となくでも解って来たところで
【高校理科●●●●】における【再結晶】の実験動画を見てみよう。

次の動画では・・・

【固体】の硝酸カリウムしろいほう　KNO3　109ｇ
S=109g/100mL at 60℃

【固体】の硫酸銅・五水和物あおいほう　CuSO4・5H2O　極少量
S=79.5g/100mL at 60℃

の【混合物】から
【固体】の硝酸カリウムしろいほう　KNO3
を【純物質】として得ることを目的に実験をしている。

但し、全量●●取り出しているわけではないから厳密には
【混合物】から特定の物質を【純物質】として取り出せるぜ！
という実験であることに注意する。

動画の先生も冒頭で「要チェックやで！」と仰っていたが
水100ｇと硝酸カリウム109gのそれぞれは
明らかに水の方が体積が小さいのに
水に溶かした後だと
水の体積が●●●●●150mLまで増えたように見える●●●●●●●●●。

ただ単に混ざるというのはあくまでも共存しているだけで
別に【核融合】して同一物になったわけではないのに、
物質は水に溶けると見えなくなるし、
無から有が生まれたようにも見える。

なんてこった！
実に興味深い。

分離操作④　昇華法しょうかほう

まずは前提知識ちゅうがくりかの説明からしよう。

【物質の三態】

知っての通り、全ての●●●物質には３つの状態がある。
【固体】、【液体】、【気体】の３つだ。
これを【物質の三態さんたい】という。

【三態さんたい】は温度依存である。
温度変化によって状態が変化する。

加熱方向で言えば
【固体】　➡ゆうかい　【液体】　➡じょうはつ　【気体】
冷却方向で言えば
【気体】　➡ぎょうしゅく　【液体】　➡ぎょうこ　【固体】
である。

先程、全ての●●●物質といったが、
実は物質の中には【液体】フェイズを経ずに
直接【固体】⇄【液体】の変態をする物質がある。

それぞれ
【固体】からいきなり【気体】になることを【昇華しょうか】
【気体】からいきなり【固体】になることを【凝華ぎょうか】
という。

例えばドライアイスが有名。
【固体】のドライアスを加熱すると【気体】の二酸化炭素になる。

但し、液体窒素という存在があるように、
条件によっては二酸化炭素ドライアイスにも【液体】フェイズがあるので、
そういう意味で全ての●●●物質という表現なのである。

以上が前提知識。
ここから話を【高校理科】に戻して説明していく。

【昇華法】は字の如く【昇華】を利用して
【混合物】から特定の【純物質】を取り出す分離操作のことだ。

特に【固体】と【固体】の【混合物】で
・特定の物質だけ●●に【昇華】の性質がある時
・水などの【溶媒】に溶かすのが難しい時
という状況で効果を発揮する。

では動画を見て行こう。
【昇華法】も２本の動画を紹介する。

最初に紹介するのはまさに原則通りに
【固体】と【固体】の【混合物】から
特定の物質だけ●●を取り出している。

【固体】　➡しょうか　【気体】　➡ぎょうか　【固体】

というようにフェイズの変化がちゃんと成立していること、
そして【昇華】しない物質が確かに残っていることに注目する。

【実験】
塩化ナトリウムしょくえん（NaCℓ）とヨウ素の混合物から
【昇華】を利用してヨウ素を分離する。

動画の最後で【極性分子】と【無極性分子】の話が出てくるが
【イオン】の単元で解説するので今は忘れていい。

そして、２つ目の動画もヨウ素の【昇華】実験だが、
こちらは
「もう解ってるでしょ？余計なもんしょうかしないものは入れへんで？」
って感じで最初から当たり前のように【不純物】は入れないスタイル。

【昇華】の前と後でのヨウ素の様子を見せてくれるし、
危険な箇所の注意喚起もしてあって計画的で割と丁寧な実験。

まとめ

ということで、本日は【再結晶】と【昇華法】について学習した。

【再結晶】
基本的には【固体】と【固体】の【混合物】から
【溶解度】の違いを利用して特定の【純物質】を分離する方法

【昇華法】
【固体】と【固体】の【混合物】から
【昇華】性のある物質だけ●●を狙って【純物質】として分離する方法

以上、要点をしっかり押さえておこう。
残る分離操作は【抽出】と【クロマトフラフィー】の２つだけ。
お楽しみに！

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では本日の授業はここまで。
おつのまｋでした。