色のついた水に活性炭を加え、あとで活性炭を取り除くと、液体の色が薄くなることがあります。これを「細かい網で色をこした」と説明してしまうと、普通のろ紙を通り抜ける物質まで取り除ける理由が曖昧になります。中学受験の実験では、色の変化に驚いて終わらず、何がどこへ移ったのかを分けて考えたいところです。
活性炭の小さな穴には、内側の壁がある
活性炭には、非常に細かい穴が数多くあります。その穴の内側にも表面があり、対象となる物質が表面につく働きを利用します。この働きが「吸着」です。見た目には小さな粒でも、内部の壁まで含めると物質が接する面は広くなります。ここで大切なのは、穴があるという形だけでなく、表面につくという働きまで説明することです。
ただし、活性炭ならどんな物質でも同じようにつくわけではありません。活性炭の種類や相手の物質、接触する条件によって、取り除かれやすさは変わります。「活性炭を入れたから、溶けているものがすべてなくなった」とは言えません。ある色の成分を吸着できた結果を、別の塩類やすべての汚れに広げないようにします。
吸着する操作と、活性炭を分ける操作
粉末の活性炭を使う場合、液体と混ぜる操作では、取り除きたい物質と活性炭を接触させます。その後のろ過では、液体に混じっている活性炭の粒を分けます。色の成分が活性炭に吸着されていれば、活性炭を取り除くときに、そこについた成分も一緒に分けられます。
つまり、「色の成分が表面につく」と「その活性炭を液体から分ける」は、仕事が違います。ろ過した後の液体だけを見て、ろ紙が色の成分を直接捕まえたと決めてはいけません。途中で活性炭を加えた操作を飛ばさず、実験の順番に沿って物質を追う必要があります。
色がなくなったことは、何の証拠か
目で分かる色が薄くなれば、少なくともその色に関係する変化が起きたことは読み取れます。しかし、それだけで成分が完全にゼロになったとは言えません。目で見分けられない程度に少なくなった可能性もあります。もともと無色の成分については、色を見る方法では変化を確かめられません。
「透明になったから飲める」という判断も、この実験からはできません。透明さと、安全に飲める水であることは別の確認です。実験した液体を飲んで確かめるのではなく、何を測る実験なのかを限定して読みます。色を観察したなら、まず答えも色の変化に対応させましょう。
例題1 活性炭の働きを確かめる比較
同じ色水を同じ量ずつ二つに分けました。Aはそのままろ過し、Bは活性炭を加えて一定時間混ぜてから、同じ種類のろ紙でろ過しました。Aの液体は元の色のまま、Bの液体は色が薄くなりました。「ろ紙だけで色の成分を取り除けた」と結論してよいでしょうか。ほかの操作条件はそろっているものとします。
答え・解説： そうは結論できません。ろ紙だけを使ったAでは色が変わらず、活性炭を加えたBで色が薄くなっています。この比較は、活性炭を加えることが色の変化に関わったと考える根拠になります。さらに、色の成分が活性炭に吸着されるという性質を使えば、吸着した後に活性炭をろ過で分けた、と説明できます。比較の観察だけで、粒子の表面につく様子まで直接見たわけではない点も分けておきます。
一度使えば、永久に働くわけではない
活性炭が吸着できる量には限りがあります。同じ活性炭に対象物質を接触させ続ければ、いつでも最初と同じように取り除けるとは限りません。ここで、実際の吸着量を、穴の数だけで計算することはしません。問題に取り除ける量が与えられたときだけ、その条件の中で残りを計算します。
また、色が残った原因は容量不足だけとは限りません。接触時間が短い場合や、その物質を吸着しにくい活性炭の場合も考えられます。条件が足りない問題で「色が残ったから、活性炭はもう限界」と断定しないことが大切です。
例題2 上限を決めた模型で考える
この例題だけの模型として、ある量の活性炭は色の成分を合計12mgまで取り除けるものとします。最初に8mgを吸着させた後、同じ活性炭を、色の成分が7mg入った別の液体に使いました。残りの容量いっぱいまで吸着し、ほかの変化はないとき、二つ目の液体には何mg残りますか。
答え・解説： 残りの容量は12－8＝4mgです。二つ目に入っていた7mgのうち4mgが吸着されるので、7－4＝3mg残ります。12mgを毎回新しく使える値として計算してはいけません。この数値は計算のために定めた条件であり、実物の活性炭に共通する性能ではありません。使った後も同じ物質を追うと、残りの容量という見方ができます。
ろ紙で何を分けられるかは食塩水とろ過へ。成分が移動したり分かれたりする道筋は、ペーパークロマトグラフィーの出発線と比べると、操作ごとの役割を整理できます。