炭酸水のふたを開けると、泡が次々に上がってきます。「ふたを開けたら水が二酸化炭素に変わった」と説明していませんか。炭酸水には、開ける前から二酸化炭素が溶けています。開栓によって保たれていた圧力の条件が変わり、溶けていた二酸化炭素が気体として出てくるのです。
ここでは、糖分や香料の影響を増やさないため、無糖の炭酸水を考えます。泡が出ること、気体が新しい反応で作られること、液体から気体が抜けることは同じ意味ではありません。見た目の泡から、物質の行き先へ説明を進めましょう。
泡が見えない部分にも、二酸化炭素はある
溶けた二酸化炭素は、液中に浮かぶ小さな泡として詰まっているわけではありません。溶けている状態と、気体の泡として分かれた状態を区別します。透明な液を見て泡が少ないからといって、二酸化炭素も少ないとは限りません。
メーカーは一般に、液を冷やし、二酸化炭素に圧力をかけて溶かします。同じ温度なら、二酸化炭素の圧力が高い条件の方が多く溶けやすくなります。ふたを開けると容器内の圧力が下がるため、開ける前と同じ量を安定して溶かしておけなくなり、余分な分が外へ出ていきます。
温度を変える話と、圧力を変える話を分ける
二酸化炭素は、同じ圧力なら一般に冷たい水の方に多く溶けやすくなります。食塩や砂糖の溶け方で覚えた印象を、気体へ一律に当てはめないでください。「温めれば何でもたくさん溶ける」は、物質の種類と条件を省いた言い方です。
冷たい瓶と温かい瓶を比べ、同時に片方だけ振っていたら、何の影響を見たのか分かりにくくなります。温度を調べる比較では、内容量、初めの二酸化炭素量、容器、扱い方などをそろえます。問題文で「ほかの条件は同じ」とあれば、比べている条件を一つに絞るための指定として読みます。
泡の数だけでは、抜けた量を量れない
大きな泡一個と小さな泡一個は、同じ体積とは限りません。また、泡にならずに液面を通って出ていく分もあります。数秒見て泡を数えただけで、放出された二酸化炭素の総量を正確に決めることはできません。
容器の傷や付着物などが泡の生じるきっかけになることもあり、泡の見えやすさと溶けていた量を混同しないようにします。観察の言葉は「泡が多く見えた」、そこからの推測は「放出が起きていると考えられる」。この二段階を分けると、実験結果より強い結論を書かずに済みます。
例題1｜開けたとき、何が変わった？
十分に落ち着かせた冷たい炭酸水のふたを開けると、泡が出ました。加熱はしていません。次の二つの説明のうち適切なのはどちらですか。A「沸騰して水蒸気が出た」、B「圧力の条件が変わり、溶けていた二酸化炭素が出た」。理由も答えてください。
答え・解説： Bです。泡が出たという共通点だけで沸騰とは決められません。この設定では炭酸水に二酸化炭素が溶けており、開栓が圧力を変えています。水が水蒸気になる話と、液体に溶けていた別の物質が抜ける話を分けます。発生した気体を調べる操作は、泡の見た目とは別の証拠になります。
例題2｜軽くなった分は、どこへ？
容器・炭酸水・ふたを合わせた重さが412.0gでした。開栓して気体を逃がし、同じふたを含めて再び量ると411.2gでした。この模型では、水の蒸発、飛び散り、液を飲むこと、空気の出入りによる重さの変化は無視し、外へ出たのは二酸化炭素だけとします。何g出たことになりますか。
答え・解説： 412.0−411.2＝0.8gです。減った重さは、測っている範囲の外へ出た二酸化炭素に対応します。気体になったので重さがなくなったわけではありません。もし逃げた分も別の袋などに集めて全部量れれば、その分を含めた重さは保たれます。実際の測定では水滴や蒸発なども確かめる必要があります。
ふたを閉め直しても、外へ出た分は戻らない
開けた後にふたを閉めることは、それ以上の抜け方を抑えるのに役立ちますが、すでに空気中へ出た二酸化炭素を自動で全部取り戻す操作ではありません。初めの容器内の量と、閉め直した時点の量を分けて考えます。「密閉」という同じ言葉でも、中に残っている物の量は違います。
炭酸の実験のために容器を加熱したり、強く振って開けたりする必要はありません。製品の注意に従って扱い、条件を比べる問題は図と資料でも考えられます。圧力、温度、物質の出入りの三つを別の欄に書けば、泡を見た印象だけに頼らず説明できます。
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