アンモニアの噴水実験を見て、「アンモニアは水によく溶ける」と答えられる。それでも、水が上へ進む理由を聞かれると、言葉が止まることがあります。溶けやすさは大切な出発点ですが、それだけでは、水にどちら向きの力が働くかまで説明したことにはなりません。
この問題では、フラスコの中、水の通り道、外の空気という三つの場所を分けます。中で起こる変化が、外から水を押す力の差につながる。この順番で図に書き込むと、「吸い込まれた」という見た目から一歩進んだ説明になります。本稿は学校で行う演示実験の読み取り用です。刺激の強いアンモニアを家庭で発生させる手順は扱いません。
溶けた気体は、どこへ行ったのか
フラスコに入っていたアンモニアの一部が水に溶けると、気体として空間にあるアンモニアが減ります。物質そのものが消滅するのではなく、水溶液の側へ移ったと考えてください。ここを「気体が全部なくなる」と書くと、水蒸気や残った気体まで存在しないように読めてしまいます。
水が本格的に流れ込む前に注目すると、フラスコ内の圧力が下がり、外の大気圧より低くなります。外の空気は、下の容器の水面を押しています。管が水につながっていれば、この圧力の差によって水が管の中を上がり、フラスコへ流れ込みます。
「低い圧力が水を引っぱる」と覚えるより、外と中からの押し方に差ができると読む方が、ストローや注射器の問題にもつながります。ただし、外の大気圧が実験の途中で急に大きくなったわけではありません。主に変わったのは、フラスコ内部の状態です。
色が変わる理由は、別の問い
指示薬を加えた水を用いると、噴水の色も変わります。フェノールフタレインを用いた演示なら、アンモニアが溶けてアルカリ性になったことを色で確かめられます。これは、水が上がる理由とは分けて答えます。
水が上がる仕組みには、溶解による圧力の低下が関係します。色の変化には、水溶液の性質と指示薬の種類が関係します。「色が付いたので吸い上げられた」と因果関係を逆にしないこと。指示薬を入れない比較を考えると、色は変わらなくても水の動きは起こりうると整理できます。
写真問題では、着色した水が高い所まで達しているため、どうしても色の方に目が向きます。しかし、設問が「なぜ上がるか」なのか「なぜ赤くなるか」なのかを先に囲んでください。同じ実験から、違う性質を問うているのです。
例題1 四つの文を、原因から結果へ並べる
次の文を、噴水が生じる説明になるよう並べなさい。ア：外の空気に押されて水が管を上がる。イ：フラスコ内の圧力が外より低くなる。ウ：アンモニアが水に溶ける。エ：気体として空間にあるアンモニアが減る。これは仕組みを整理するための本稿独自の問題です。
答え・解説： ウ→エ→イ→アです。「溶ける」と「上がる」の間に、気体の量と圧力の変化を挟みます。アを最初にすると、外の空気が何の変化もなく突然水を上げ始めた説明になってしまいます。また、エは物質全体が減るという意味ではありません。水溶液に移った分を含めれば、アンモニアの行き先があります。
答案の字数が短い場合も、「アンモニアが水に溶けて内圧が下がり、大気圧で水が押し上げられる」とつなげれば、必要な関係を残せます。単語を三つ列挙するより、何が何を変えたかを動詞で結ぶことが重要です。
例題2 水が少し上がって止まったら
同じ種類のフラスコを用いた二つの演示記録があります。Aでは水が勢いよく流れ込みました。Bでは接続部分に隙間があり、水が少し上がった後に止まりました。Bの結果から「アンモニアは水に溶けない」と結論できるでしょうか。隙間から外の空気が入ると仮定して説明しなさい。
答え・解説： 結論できません。溶解によって内部の圧力が下がっても、隙間から外の空気が入ると、内外の圧力差を保ちにくくなります。水の上がり方には、気体の溶けやすさだけでなく、装置が空気を漏らさずつながっているかも関係するためです。
この結果は、原因を一つだけに決めない練習になります。水が上がらなかったという観察と、水に溶けなかったという解釈は同じではありません。管の先が水面から出ている場合も、水の代わりに空気が入りえます。問題文で与えられた条件のどれが、圧力差を作る段階・保つ段階・水を動かす段階に関係するかを分けましょう。
矢印には、物質と力の区別を付ける
図の矢印をすべて同じ意味で使うと、アンモニアの移動と水の動きと空気の押す力が混ざります。「水」「外の空気が押す」「溶ける」と短く添えるだけで、説明が読みやすくなります。最後に、フラスコの中だけを見て答えを作っていないか確かめてください。水を押す側の空気まで描ければ、噴水の原因がつながります。
圧力差はストローで水を飲む仕組み、指示薬を読む準備はリトマス紙と水分で整理できます。