にごった液を入れた容器を装置で回すと、底に粒が集まり、上の液が澄んで見えることがあります。では、回したあとの透明な液は、もう何も含んでいない水でしょうか。ここで「見えない」と「入っていない」を分けられるかが、分離の問題の要点です。
今回は遠心分離のうち、液に浮遊する固体の粒を沈みやすくして集める方法を考えます。家庭で容器を振り回す手順ではなく、図に示された分離の前後を読み取る原稿です。装置の名前を初めて聞いても、粒と液がどこへ移ったかを追えば、結果を説明できます。
回転させると、粒が集まる場所ができる
泥水を静かに置くと、粒の一部が時間をかけて沈みます。遠心分離では回転を利用し、液より密度が大きい粒が回転軸から離れる側へ移る働きを強め、集まりやすくします。装置の中で容器が傾いていれば、写真の上下だけではその方向を判断できません。回転の中心がどこにあるかを先に確認します。
回転後に容器を立てた図では、集まった粒を下に、その上の液を上澄みとして描くことがあります。これは、回転中も必ず鉛直下向きだけに分かれたという意味ではありません。「回しているときの向き」と「取り出して並べたときの向き」が違うことに注意しましょう。
大きな粒と小さな粒が、同時に全部集まるとは限らない
分かれ方は粒の密度だけでなく、大きさ、液の性質、回転の条件や時間にも関係します。同じ材料なら大きな粒の方が集まりやすいことがありますが、異なる材料まで含めて、重い粒から必ず順番に並ぶ、と決めるのは早すぎます。
ある操作のあとに上澄みがまだにごっていれば、小さな粒などが残っている可能性があります。一度の分離で完全に取り除けたかどうかは、結果を確認しなければ分かりません。問題に「すべての粒が底に集まった」と書かれているなら、それは計算や判断のために与えられた条件です。装置を使ったという事実だけから、勝手に補ってはいけません。
澄んだ液にも、食塩は残り得る
食塩水に泥の粒が混ざっている場合を考えます。適切な条件で泥の粒を集めても、水に溶けている食塩が、同じような泥のかたまりになって全部取り出されるわけではありません。この粒を沈める操作では、上澄みにも食塩が溶けています。
見た目が透明という結果は、光を散らす粒が少なくなったことを考える手がかりになります。しかし、透明さだけを根拠に純水だと判断することはできません。食塩を残して水を取り出したいなら蒸留など、別の性質を利用した分離を考えます。目的が泥を除くことなのか、溶けた食塩を分けることなのかを明確にしましょう。
例題1｜透明になった上澄みの中身
水に食塩を十分に溶かした液へ、溶けない粒Pを加えました。遠心分離によってPはすべて集まり、食塩は結晶にならず溶けたままでした。上澄みは無色透明です。「上澄みは食塩を含まない」と言えますか。Pがなくなったことと分けて答えてください。
答え・解説： 言えません。取り除いたのは浮遊していたPで、食塩は上澄みの水に溶けたままです。透明になったことは、食塩が消えた証拠ではありません。溶けている物と、にごりの原因となる粒を二つの欄に分けて書くと、操作によってどちらが分かれたかが見えます。
例題2｜湿った沈殿を全部「固体」と数えてよい？
液と粒を合わせた試料100gを分けたところ、上澄みは82g、残った湿った沈殿は18gでした。外へこぼれた物はありません。沈殿には液が6g残っていると別の測定で分かりました。粒そのものは何gですか。また、最初の試料の重さとのつながりを確かめてください。
答え・解説： 粒は18−6＝12gです。上澄み82gと、沈殿に残る液6gと、粒12gを合わせると100gになります。湿ったかたまりの18gを全部粒と考えると、液6gまで固体に数えてしまいます。「沈殿の重さ」と「乾いた粒の重さ」は同じとは限らないのです。
ろ過と似ていても、利用する働きを分ける
ろ過では、ろ紙などのすき間を通るものと残るものを分けます。今回の遠心分離では、回転によって粒が集まりやすくなる働きを利用します。どちらでも澄んだ液が得られる場合はありますが、結果の見た目が似ていることと、仕組みが同じことは別です。
分離の図を見たら、入口にあった成分を消さずに、出口へ振り分けてください。底の粒、上澄み、粒に付着した液というように、行き先を増やす必要があることもあります。分ける操作では、物がなくなったのではなく、置かれた場所が変わったと考える。図に書いた成分の一覧を、操作の前後で照らし合わせる習慣が役立ちます。
関連記事：水溶液の色とにごり ／ 食塩水から水を取り出す蒸留