中学受験理科｜白い沈殿は液を加えるほど増える？｜水酸化アルミニウムの再溶解

白い沈殿ができる実験では、反応液を増やすほど固体が増え、やがて一定になるグラフをよく考えます。しかし、水酸化アルミニウムのように、条件によって酸にもアルカリにも溶ける物質があります。液を加えすぎると、いったんできた白い固体が減って消えることがあるのです。

固体ができる段階と溶ける段階

アルミニウムを含む適切な水溶液へアルカリを加えると、白い水酸化アルミニウムの沈殿ができます。その後、十分なアルカリを加えると、その沈殿が溶ける条件があります。最初から最後まで同じ働きだけが続くわけではありません。

また、用意した水酸化アルミニウムの沈殿を別々の容器に分け、一方へ酸、もう一方へアルカリを加えると、どちらでも溶けることを確かめられます。これは中和に必要な体積の暗記とは異なる性質です。この記事では専門的な反応式の暗記よりも、白い固体がある区間とない区間を実験表で読むことに注目します。

図：単純な沈殿頭打ちでなく、過剰添加で消える沈殿の山形データ。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

沈殿が消えると「アルミニウムがなくなった」と書いてしまいがちです。しかし、固体だった成分が液中へ移ったのであり、外へ取り出した設定がなければ、アルミニウムそのものが容器から消えたわけではありません。透明になった見た目と、含まれる成分の有無は別です。

沈殿量のグラフには山ができることがあります。山の左側では生成が進み、右側では再溶解が進むという異なる段階です。同じ高さの二点が、同じ添加量や同じ溶液の状態を意味するとは限りません。右側の点は、それだけ多くの液をすでに加えた後です。

ある条件でアルカリ液を加えた体積と、乾燥して量った白い固体の重さが次のようになりました。添加量0、2、4、6、8mLに対して、固体は0、0.4、0.8、0.4、0gです。固体0.4gになる添加量をすべて答え、4mLから8mLまで加えると固体が何g減るか求めなさい。値は本問のための設定です。

答え・解説： 0.4gになるのは2mLと6mLの二つ。4mL時点の0.8gから8mL時点の0gまで、0.8g減ります。最初の増え方だけを延長して8mLで1.6gとするのは、4mL以降に起きた変化を無視しています。

例題1と同じ条件で、最初に2mLまで加えてあります。その後、添加量が合計6mLになるまで液を加えました。追加した体積はいくらですか。また、途中で固体の重さは最大いくらになり、最後はいくらになりますか。

答え・解説： 追加量は6−2＝4mL。途中の合計4mLで0.8gになり、最後の合計6mLでは0.4gです。最初と最後の固体量が等しくても、その間ずっと同じだったわけではありません。途中の山を通ったという順序が大切です。

アルカリ液を加えると液体全体の体積も増えます。濁りが薄く見える理由には、単に同じ固体が広い体積へ分散した場合と、実際に固体が溶けて減った場合があります。見た目の白さだけで沈殿の重さを決めないようにしましょう。

固体の減少を確認するなら、同じ分離・乾燥条件で残った固体を量るなどの測定を行います。ただし、水を含む柔らかい沈殿では、乾燥条件によって結果の意味が変わることもあります。設問が重さを与えているなら、その測定条件を読み、白さの印象から別の数値を作らないことが重要です。

酸とアルカリのどちらにも溶ける性質は、両性と呼ばれます。しかし「酸もアルカリも同じもの」という意味ではありません。元の液の性質、試薬の量、加えた順番により、途中の成分や固体量は変わります。二本の試験管の比較と、一本へ続けて加える実験を混同しないでください。

資料に三つの容器がある場合、酸を加える容器、アルカリを加える容器に加えて、何も加えない比較用の容器が置かれていることがあります。比較用も時間だけで透明になったなら、試薬だけの効果とは言い切れません。実験の絵で目立たない一本にも、結論を支える役割があります。

横軸が累積の添加量なのか、各回の追加量なのかを最初に確かめます。次に、山の頂点を境に二つの段階へ分け、同じ縦軸の値になる点を両側で探します。最後に、その値が固体量なのか液の濁りなのかを確認します。この三点がそろえば、知らない物質でも実験表から筋道を立てられます。

例題の表は2mL刻みです。3mLの値を求めるには、2mLと4mLの間で直線的に変化するといった条件が必要です。点を結んだ線があれば読み取れますが、測った点しか示されていないときに、理由なく一定の増加率を仮定しないようにします。

同じ0.4gでも、2mLで止めた試料と6mLで止めた試料は、液中に残る成分の状態が違います。両方へさらに同じ量を加えた後も、固体量が等しくなるとは限りません。今の固体量だけでなく、それまでの操作が次の結果に関係する例です。

右側で沈殿が0gになったとき、さらに液を加えたら固体量がマイナスになるわけではありません。グラフの下り坂を際限なく延長せず、固体量0という下限を意識します。横軸の範囲を超える予測が問われた場合には、新たな反応条件が示されているかを確認します。