【化学基礎】３時限目 物質の構成②
こんばんDDD！
今日も【高校理科】【化学基礎】の授業を始めていくよ！
前回の復習を簡単に。
古の時代から変わらぬ化学者の基本ムーブは
① 名前を付ける
② 特性チェック
③ 分類分け
この繰り返しだ。
そして、【物質】における根源的な②と③は
・原子と元素の違い
・原子と分子
・粒子の集合の仕方
である。
【化学的な分類】と言ってもいいかもしれない。
未履修羊は以下のリンクから前回記事を要チェック。
今回は【物理的な分類】、つまり【分離操作】について学んでいく。
あ、そうそう。
著作権の正当な治外法権地帯である学校から脱した今は
当時使っていた画像や資料の殆どが使えない。
だから時に見にくい箇所もあるかもしれんくてね。
図とか指示とか。
その辺はごめんて。
その代わり動画という文明の利器が使えるかんね。
出来る限りの範囲で出来る事を粛々と頑張るます。
sheep の寛容な心に予め感謝を。
では早速やって行こう。
性質を見て概念上で分類分けするのではなく
【混合物】の中から狙った【純物質】を実際に取り出す操作方法。
高校理科における鉄板【６種類】を解説する。
先人の化学者に対する感謝の証として
引用動画先にてグッド評価をお願いします。
※ 動画先は私のチャンネルではありません！
分離操作① 濾過
分離操作としては最も原始的な方法。
【液体】と【固体】の【混合物】に対して用いる。
【例】
砂＋水の水溶液から砂だけ取り出す
【ろ過のメリット】
・超シンプル。
数ある実験装置の中でも断トツにシンプル。
【ろ過のデメリット】
・フィルターの能力依存なので精製度が弱い
動画でも【ろ液】がまだ茶色だったよね。
透明な水にするには相当高性能なフィルターを用いるか
何回も精製を繰り返す必要がある。
・継続性が弱い
目詰まりや破損によるフィルター交換という手間がかかる。
因みに、この【ろ過】という単純な機能を最大限まで極めると
汚水や自分の尿でさえ飲料水として飲めるレベルまでに出来る。
分離操作② 蒸留
sheep によってはなろう等での金策の鉄板として馴染み深いかも。
【液体】と【液体】の【混合物】に対して用いる。
【例】
酒（アルコール＋水）からアルコールだけを取り出す。
動画内でも先生がご説明なされていたが、
こちらでも【蒸留装置】に使われている器具の説明をしておく。
【枝付きフラスコ】
枝別れした細い管があるフラスコ。
主に蒸留実験で活躍する。
2,000～10,000円くらい。
【枝付きフラスコ】そのものとしては直火で加熱しても良い器具だが、
アルコールという可燃性の液体を用いる場合は
引火の恐れがあるので直火でなく湯浴で加熱する。
水はどんなに加熱しても100℃以上に行かないので、
酒（アルコール＋水）からアルコールだけを取り出す、
なんて時は温度管理が楽になるし引火リスクも下げられるので
生徒が行う実験的には安全確保の面でも実に最適であると言える。
チョコレート溶かす時の焦げつきに対するリスクヘッジ。
あれと一緒一緒。
え？
チョコ直火？
【温度計】
ゴム栓に穴をあけてそこにぶっ刺してゴム栓ごと使う。
赤い球っころの部分で温度を測定する。
【液体】は加熱されて沸点を越えた時に【気体】になるわけだが、
逆も然りで、
【気体】は冷却されて凝結点を越えた時に【液体】になる。
酒 ⇄ アルコール ＋ 水
アルコールも【液体】から【気体】になって酒から脱出した後、
上昇していく過程で当然だが温度が下がっていく。
んで、【気体】から【液体】に戻った瞬間に枝方向へ回収したい。
沸点を過度に超えた高温すぎる【気体】だと、
冷却が間に合わなくて続く【冷却器】さえも突っ切って
結局最後まで【気体】のまま出て行ってしまう可能性がある。
あるいは、
アルコール以外の沸点までも超えた温度になってしまうと
全員【気体】になってしまうので
該当者だけを分離するという目的を果たせていないことになる。
酒を加熱してわざわざ【気体】にして
別の場所に移動させて再び酒に戻す？
新種の拷問方法かな？
よって、
赤い球っころを枝のつけ根の部分に位置するよう設置する理由は
通過する【気体】が【液体】に戻るギリギリの【温度】の監視、
つまり
火力を調節して付け根の温度がアルコールの沸点で維持するため
である。
大事なことだから繰り返すが
つけ根においてのアルコールの沸点維持が目的で温度を測定したい。
例えば【液体】に赤い球っころを突っ込んで
【液体】そのものの温度を測定してしまうとする。
アルコールが【気体】になって上昇する過程で温度が下がって
枝のつけ根に到達する前に【液体】になって戻ってきてしまっていたら？
あるいは実は既に加熱しすぎで
アルコール以外も【気体】になって出て行ってしまっていたら？
付け根部分にてアルコールを【液体】に戻したいから
適正温度にして維持したいのに、
よく解んないし指針も無いけど温度を上げ下げして何とか調節する？
「でもそんなの関係ねぇ！」
「ワインの温度はちゃんと沸点だしぃ！」
「でもそんなの関係ねぇ！」
・・・それじゃあ温度測定の意味無いやろ！
「どこ測ってるのよ！羊さんの叡智！」って話だ。
まあ、温度計だからね。
温度の監視目的以外で温度計使う人なんていないでしょ。
【リービッヒ冷却器】
管の中を通過する高温【気体】を冷却させて【液体】に戻す器具。
4,000～60,000円くらい。
中心の管の周りに独立した別空間を巻き付かせてある。
所謂フランクフルトの串と肉の位置関係。
肉空間に冷水を流すことで串の中を通過する気体を冷却させる。
肉と串はそれぞれ独立しているので
冷却水が串の中に侵入することはない。
だから冷却水は溶液等と混濁するわけではないので
冷却後はそのまま排水溝へ捨てて良い。
【注意点①】 冷却水を注入する向き
冷却水を取り込むための取水口が上部と下部の２ヶ所ある。
意識したいのは高温の【気体】は上から下へと通過することだ。
冷却水を【気体】の流れに沿って同じ方向、
すなわち上部から入れて下部から排水させるのと、
冷却水を【気体】の流れに逆らって逆方向、
すなわち下部からいれて上部から排水させるのと、
冷却効率がより高いのは果たしてどちらだろうか。
答えは逆方向だ。
「え？熱効率の話なの？違うんじゃないか？」
流石は頭脳明晰羊。
悪い大人の誤魔化しに引っかからなかったか。
良いぞ！
もっと頭をフル回転させろ！
頭痛が痛い！
最近は教科書が理由を載せないことがあるので
化学の勉強なのに自分で調査することが出来ない。
どんな理由があるのか解らんが、
自己研修が基本の大学生ならともかく
まだ高校生の立場では言われたままを受け入れるしかない。
「理科は自分で理由を調べてこそじゃろうがい！」
悲しくなってしまうのだが、まぁ現実だ、仕方ない。
教科書の口足らず問題はとりあえず置いておいて、
そういう諸君の痛痒いところをこの記事で補っていけたらwin-winだ。
って訳で、次の物理的な理由を聞けば一番納得できるのではないだろうか。
上部から入れて下部から排水させると、
入れるそばから出て行ってしまうことになる。
排水量に比べて注水量の方が少ないと管内に空洞が生じてしまい、
文字通りリービッヒ冷却器内に水を充填させることが出来ないのだ。
実際は注入量で何とでも調整できるのだが、
水道水が勿体ないおじさん
「水道水が勿体ない」
と言われるので、
やっぱり上からの充填はメッ！
というものだ。
しかし、世の中には上から充填でも行けそうな冷却器も有るにはある。
還流冷却器
こっちは実物（販売）。
https://axel.as-1.co.jp/asone/d/64-1066-34/
ガラス器具って物凄く高価なんだぜ！
ただ冷やすだけの器具で数万もするんだもの。
因みに、還流冷却器は総称であり、
リービッヒ冷却器もこの中の１つだ。
名城大学理工学部応用化学科のページにちょっとだけ解説があった。
魔貫光殺砲みたいになってるジムロートなんて
「要は冷えればええんやろ？」
という最早どっちでも良いじゃん的な冷却器の代表格なんだが
それでも器具付属解説書なんかには
「うるせえいいから黙って下から注水しろよオラァ！」
って書いてあるので、
化学はやっぱ僅かな隙間も水の無駄使いも許さないスタンス。
ただ、ゲームとか映画のワンシーンみたいに
鉄の配管から工業レベルで
高温【気体】大量プシャーしているような場合はともかく、
動画のような実験室レベルでは枝のつけ根の時点で
【液体】が【気体】でいられるギリ攻めの温度で通過させているので、
リービッヒ冷却器に進入するころには殆どが既に【液体】である。
動画でもそうだったね。
動画では通過する【液体】を冷却するみたいになってしまっていた。
だから、高校生ぐらいの実験室レベルでの
リービッヒ冷却器の存在意義としては
【液体】に戻り切れなかった僅かな【気体】を
確実に液化させるために念のため冷却しようぜ。
実はそんな程度でしかないのである。
つまり、工業レベルで大量の高温【気体】プシャーでない限り
または管内に余程空洞が無い限りは
液化という目的は達成されるので正直大差ないのよ。
（これは上手く着陸させないと各所からすげー怒られそうやな！
唸れ！私のヨボヨボの脳細胞！
最高の言い訳を捻りだせッ！）
但し、諸君は化学を学ぶ羊の一員として、
蒸留には高温【気体】を効率よく冷却するフェーズが必要。
効率よく冷却させるため、
冷却水をしっかり充填させるために、
下から湧き出す方向で冷却水を注入すべし。
という概念は正確に理解しておかなければならない。
冷却水はＡとＢのどちらから流すのが正しいか的な感じで
定期試験でも高頻度で出題されるから覚えておこう。
空冷より水冷の方が良いぞおじさん
「空冷よりも水冷の方が良いぞ」
【注意点②】 リービッヒ冷却器は器具である
勘違いしやすいと言えばこれも結構有名な話。
蒸留するために組んだ装置全体に固有名称があるわけではないが、
強いて言えば【蒸留装置】である。
装置と言うのは器具と器具を連結等させて出来る全体を指す。
だから、仮に図を与えられて
「この装置は何ですか。名称を答えなさい。」
とか出題された時に、
少なくとも【リービッヒ冷却器】とは答えないように。
【リービッヒ冷却器】は器具の１つでしかないので注意！
【アダプター】
沸騰圧力で勢いよく流れて来た【液体】が跳ね散らかさないように
しっかりまとめて滴下させるための器具。
インコの嘴のような形状が特徴。
1,500～15,000円くらい。
ろ過の動画の方で、
【混合液】を注ぐ時と【ろ液】を回収する時に、
ガラス棒に沿わせたりビーカーに沿わせたりして
流れる【液体】がはね散らかさないようにしていたのを見たと思う。
あれを勝手にやってくれる器具です、と言えば解り易いだろうか。
これで、ドワーフっぽいずんぐりむっくりおじさんに囲まれても
蒸留酒を提供もしくは製造する方法を伝授出来る知識が備わったな！
まあそんな異世界転移みたいなことは絶対に起こり得ないのだが。
じゃあ現実でやるって？
やめとけ、捕まるぞ。
確かにワインを蒸留したらブランデーになるし、
ビールを蒸留したらウイスキーになる。
日本酒を蒸留したら焼酎になるし、
その焼酎を蒸留したら味も香りもへったくれもないスピリットになる。
でもこれには知識と技術と免許が必要で、
素人が手を出すと上手く醸造なり蒸留なりできずに
不完全精製でメタノールつくっちまって飲んで失明の愚者エンド確定だ。
高純度アルコールは引火・爆発の危険物でもあるから
危機管理が出来てないのに製造して大爆発も有り得る。
許可の無い爆発物製造は行使しなくても製造段階でテロ等準備罪だ。
自分だけならまだしも物理的な周囲の人間はおろか
家族や仲間や職場関係者を間接的に巻き込むことになるぞ。
あまりにも危険すぎる。
あと単純に酒税法違反。
さて、化学基礎における【分離操作・全６種類】の内、
ここまでで【ろ過】と【蒸留】の２つについて解説した。
残りの４つについても一気に紹介しても良いのだが、
諸君の記憶キャパが限界かも知れないだろうから
本日はここまで。
次回は残りの４つを解説していく。
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