中学受験理科｜振ると青くなるブルーボトル｜色の往復と酸素の消費を分ける

無色の液を入れた瓶を振ると青くなり、静かに置くと再び無色に戻る。ブルーボトルと呼ばれる実験では、酸素が液へ溶け込み、色を示す物質の状態が変わります。振動そのものが青い色を作る、と考える前に、振ることで何がどこへ移ったのかを調べましょう。

瓶の空気と液を分けて考える

この実験では、液の上にある空気の酸素が、振る操作によって液へ移りやすくなります。メチレンブルーという色素は酸素が関わる変化で青い状態になり、液中のブドウ糖などが関わる反応によって無色の状態へ戻ります。アルカリを使う実験なので、ここでは調製方法を紹介せず、示された記録を読む題材にします。

色が戻るために重要なのは、瓶を動かした回数そのものではなく、酸素を液へ渡すことと、液中で進む反応です。「振ると空気が新しくできる」という説明ではありません。ふたを閉じた瓶でも、上部にあった酸素が液へ移ることで、しばらく繰り返せます。

図：時計反応の一回の遅れでなく、酸素を渡す操作による色の繰り返し。数値は本文の例題条件に対応する模型です。

最初と最後が無色だから、瓶の成分も完全に同じと考えてはいけません。色素の状態は繰り返し変わっても、反応に関わる酸素やブドウ糖などは消費されます。色の往復と、反応全体の巻き戻しは別のことです。

同じ瓶を何度も振ると、初めと条件が変わる可能性があります。温度の変化、気相の酸素の減少、液中の反応物の減少などを考える必要があります。したがって、何回目でも青色が続く時間が必ず等しいという法則はありません。時間の計算をする場合には、問題文で反応の速さなどを条件として与えます。

一回の操作で液中へ酸素を6単位渡し、その後は毎秒0.2単位ずつ消費するとします。酸素がなくなった時に無色へ戻る単純な模型では、何秒後に無色になりますか。途中で追加の酸素は入りません。

答え・解説： 6÷0.2＝30秒です。これは問題で与えた一定速度の模型の結果であり、実際のブルーボトルがどの条件でも30秒で無色になるという意味ではありません。反応量を速さで割って時間を出す関係を使っています。

瓶の上部に、液へ移すことのできる酸素が最初18単位あります。一回につき3単位ずつ液へ移し、その全量が反応で消費されるとします。新しい空気を入れず、同じ一回分を最後まで行える回数は何回ですか。4回行った後に残る酸素も求めなさい。

答え・解説： 18÷3＝6回。4回後は18−3×4＝6単位です。液が無色へ戻るたびに消費した酸素も復活するわけではありません。色の状態を示す図とは別に、酸素の残量の表を作ると混乱しません。

振る操作には、空気との接触を増やす、液を混ぜる、泡を作るなど複数の変化が含まれます。酸素の関わりを調べたいなら、同じ振り方で気体の組成を変えた記録などを比較する必要があります。単に振った瓶と振らなかった瓶だけでは、どの変化が主因かを絞り切れない場合があります。

問題に窒素を入れた瓶の結果があれば、窒素が色を消す薬品なのだとすぐ決めず、酸素を渡せない比較として考えます。空気を入れた場合だけ青くなるなら、空気中の成分が必要であることを支持します。そのうえで、酸素だけを変えた実験かどうかまで確かめましょう。

温かい瓶と冷たい瓶を比べると、反応の進み方だけでなく、気体の溶け込み方なども変わり得ます。青色が消えるまでの時間だけから、一つの理由を断定しないようにします。もし問題文が「液へ入る酸素量は同じ」と明示していれば、その条件のもとで反応時間を比較できます。

また、振り終わってから測り始めたのか、振り始めから測ったのかによって記録時間は違います。色の変化がゆっくりなら、「無色になった」の判定もそろえる必要があります。観察記録の時刻と操作の時刻を同じ横軸へ並べると、どの区間を測ったかが見えます。

記述では「振ると青い液になる」だけでなく、「上部の酸素が液へ移り、色素の状態が変わる」と物質の移動を入れます。そして、再び無色になることから、液中にも反対向きの変化を進める物質があると考えます。目に見える色を手掛かりに、見えない酸素の動きを追う題材です。

青色が消えるまでの秒数は観察しやすい値ですが、そのまま消費したブドウ糖の重さになるわけではありません。何gあたり何秒という対応を使うには、その条件で量と時間がどう結び付くかを別に調べる必要があります。見える時刻を、見えない物質量の代用にする際には、この橋渡しが必要です。

瓶を開けた回と閉じたままの回を同じ列へ並べると、空気を補充したかどうかが分からなくなります。操作欄に開閉を記し、酸素の持ち越しを追いましょう。密閉状態での回数に限った例題2の答えを、途中で新しい空気を入れた実験へ使ってはいけません。

色の濃さの比較にも、瓶の太さという条件が関わります。太い瓶を横から見れば、光が液を通る距離が長くなり、同じ液でも見え方が変わることがあります。同じ試料を違う瓶へ移しただけの変化を、反応の進行として数えないようにします。色の往復を読む実験でも、容器、空気、時刻の記録が欠かせません。