小さな結晶を水溶液につるせば、必ず大きくなるのでしょうか。「種結晶」という名前でも、植物の種のように中の養分で育つわけではありません。水溶液の状態によって、表面に物質が加わって大きくなることも、逆に溶けて小さくなることもあります。結晶だけでなく、周りの液の濃さと温度を見ましょう。
結晶の外から、材料が加わる
ミョウバンの結晶を育てるとき、小さな結晶を出発点として液中につるす方法があります。液に溶けていた成分が結晶に加わり、規則的な並びを保ちながら成長します。小さな結晶の内部から、無限に材料が出てくるわけではありません。材料の供給先は周囲の水溶液です。
その温度でまだ十分に物質を溶かせる液へ入れれば、種結晶の方が溶けることがあります。温かい液ならいつでもよく育つ、濃い液なら必ず透明に育つ、と一つの条件だけで決めることはできません。温度を下げる速さや、ほかの場所にも結晶ができるかどうかが、仕上がりに関わります。
日本化学会近畿支部の説明でも、濃度、種を入れる温度、冷やす速さを区別しています。小さくなった結果は「種結晶が死んだ」と読むものではなく、液へ溶ける側の変化が起こった可能性として考えます。種という共通の言葉に引かれて、生物の成長の説明を持ち込まないことが大切です。
容器の底の結晶と、つるした結晶は別に量る
冷やした液の底にも小さな粒ができると、析出した物質が一つの種だけに集まらなくなります。全体として結晶が増えていても、つるした一個が思ったほど大きくならない場合があります。「結晶が増えた」という記録には、個数の増加、一個の大きさの増加、回収した全質量の増加があり、どれを述べたのかを分けます。
種が容器の底に触れ、別の結晶とくっつけば、取り出した塊の重さは種一個だけの成長を表しません。糸にできた小結晶も同様です。観察では、目的の種、底、糸という場所ごとに写真を残すと、材料がどこへ移ったのかを追いやすくなります。
取り出してすぐの結晶には液が付いています。濡れた重さと表面の液を除いた重さを混ぜると、水滴を結晶の成長分として数えてしまいます。ただし、加熱して徹底的に乾かすという操作も同じではありません。ミョウバンには結晶水を含むものがあり、強く加熱すれば結晶そのものの状態を変える可能性があります。比較は、決めた表面処理をそろえて行います。
例題1 増えた結晶のうち、種に付いたのは？
同じ条件で表面の液を除いた種結晶の重さが、初めは2.0g、最後は5.5gでした。底と糸にできた別の結晶を同じ方法で量ると合計1.5gでした。初めには他の結晶はありません。種の増加分と、容器内の固体結晶の総増加分を求めましょう。
答え・解説： 種の増加は5.5−2.0＝3.5gです。ほかに生じた1.5gを加えると、固体結晶全体の増加は5.0gです。5.5gという最終の種の重さには、初めからあった2.0gも含まれます。したがって5.5＋1.5＝7.0gは最後の総量であって、増加分ではありません。
この計算は観測された結晶の重さを整理するものです。結晶水を含む結晶の増加を、無水の成分だけが液から減った重さだと置き換えることはしていません。物質名や溶解度表の基準を確かめず、水と溶質の内訳をさらに逆算しないでください。
例題2 種が小さくなったときの割合
別の実験で、3.0gの種結晶を一定温度の液につるしたところ、翌日に2.4gになりました。欠けて落ちた部分はなく、同じ表面処理で量ったものとします。初めに対し何％減りましたか。また、この結果だけで液の正確な濃度が分かりますか。
答え・解説： 減った量は0.6gで、0.6÷3.0×100＝20％です。残った割合は80％なので、求める「減った割合」と取り違えないようにします。種が溶けたこととは整合しますが、初めの液量、濃度、平衡に達したかなどが分からないので、この重さだけで液の濃度は決まりません。
大きさを比べるなら、長さか質量かをそろえる
似た形の結晶でも、一辺が二倍になったとき、質量も二倍になるとは限りません。相似な立体で密度が同じなら体積は八倍になります。写真の幅だけで「成長量が二倍」と表現すると、重さの変化と食い違う可能性があります。大きさのグラフには、横幅、体積、質量のどれかをはっきり書きましょう。
また、透明な部分と白くにごった部分を比べる際、色だけで別の物質になったと決めるのも早すぎます。細かい結晶や液の取り込みなど、見え方に関わる条件があります。ここで目指したいのは、きれいな一個を作る手順の暗記ではなく、失敗に見える記録も液と固体の間の物質移動として読むことです。
形の見方は食塩の結晶と砕いた粒へ、結晶に含まれる水の考え方は硫酸銅の結晶水へつなげてください。