中学受験理科｜化学庭園は植物が育つ実験？｜沈殿の膜と管の成長

液の中に色の付いた枝のようなものが伸びる化学庭園は、植物の種を発芽させたものではありません。溶けた成分が反応して膜や管状の沈殿をつくる現象です。形が生き物に似ていても、それだけで生命の活動とは判定できません。伸びる前後の順序と、物質がどこから来るかを追う題材として考えます。

膜ができることから始まる

代表的な模型では、金属の塩が液に接したところに、溶けにくい物質の膜ができます。内側と外側では液の成分が異なり、水が膜を通って移動します。内側が膨らんで膜の一部が破れ、そこから出た液が外側の液と接すると新たな沈殿が生まれます。この繰り返しが、管が伸びる形に見えることがあります。

「膜があるから何も通らない」でも、「液体だから全部自由に混ざる」でもありません。何を通しやすい膜かを条件として読みます。実際の化学庭園にはさまざまな成分や作り方があるため、全ての管が同じ速度や方向へ育つとは説明しません。ここで扱うのは、沈殿膜と水の移動を組み合わせた代表的な仕組みです。

模式図。管の形や色だけで生物とは判断しない。図は仕組みを整理する模式図です。

結晶が伸びる場合との違い

ミョウバンの結晶が大きくなる場合と比べると、外見だけでは違いが分かりにくいことがあります。化学庭園の管は内部に空間がある場合があり、外から見える太さ全体が固体の量ではありません。長さが二倍になったから固体の重さも二倍、と決めるには、太さと壁の厚さなどが同じという条件が必要です。

管の中に液が流れているとき、見える先端の移動と液そのものの速さも区別します。川の水が流れる速さと、河岸の形が変わる速さが別であるのと似た区別です。液の出口が分かれて複数の枝になれば、一本の長さだけでは全体の成長を表せません。

例題1　管の壁の体積

ある管の外側の断面積は12平方mm、内側の空洞の断面積は8平方mmでした。断面が一定のまま長さが20mmから35mmへ伸びたとき、新しくできた管壁の体積は何立方mmですか。枝分かれはないものとします。

答え・解説： 壁の断面積は12−8＝4平方mm。伸びた長さは15mmなので、4×15＝60立方mmです。12×15＝180は空洞も固体として数えた値です。初めからある20mm分まで新しくできた量へ足さないことも大切です。

例題2　枝が分かれた後

時刻0分では管の総延長が10mmでした。5分後には主な管が18mm、そこから出た二本の枝が各6mmになりました。この5分間の総延長の増加と、一分あたりの平均増加を求めなさい。枝の長さには主な管の部分を含めません。

答え・解説： 最後の総延長は18＋6＋6＝30mm。増加は30−10＝20mm、平均は20÷5＝4mm/分です。18−10だけでは枝の分が抜けます。また平均4mm/分から、各枝が毎分4mmずつ伸びたとはいえません。全体と一本の記録を分けます。

実験の前後で消えない物質

沈殿が増えたなら、液に溶けていた成分や初めに置いた材料が、その構造へ移っています。何もないところから枝が生まれたのではありません。容器全体を閉じて量り、物が外へ出入りしない模型なら、全体の重さが増え続けるとは考えません。形の変化と、物質量の増減は別に調べます。

写真に写っている色は、成分を判断する手掛かりにはなっても、それだけで物質名を確定する証拠にはなりません。照明や撮影条件でも見え方が変わります。問題に物質名や色の対応表があるならそれを使い、見慣れた色に結び付けて勝手に決めないようにします。

観察条件を変えた資料の読み方

液の濃さを比べるなら、初めの材料の大きさや入れ方、観測時間をそろえます。一本の長い管と、多数の短い管を見て、長い方だけを「反応が多い」と呼ぶことはできません。総延長、固体の体積、成分の残量など、どれを反応の指標にしたかを先に定めます。

生き物に似た形を見つけたときこそ、形だけに引っ張られず、増え方の仕組みを順に説明してみましょう。膜、水の移動、破れた場所、次の沈殿を矢印でつなぐと、化学の変化として理解できます。これは自宅で薬品を組み合わせる案内ではなく、提示された写真と測定資料を考察する学習です。

管が伸びた量と、物質が増えた量

写真で管の高さが二倍になっていても、固体の質量が二倍になったとは限りません。中が空洞の管では、外径、内径、枝分かれの数も関係します。細長く伸びたものと、短く厚い壁をつくったものを、高さだけで物質量の大小へ並べることはできません。

例題で使う外側の断面積と内側の断面積の差は、管の壁が占める部分です。その差に伸びた長さを掛けると、新しくできた壁の体積を模型として求められます。空洞部分まで固体として数えると過大になります。管の断面を色分けし、塗った部分だけを積み重ねると考えると式の意味がはっきりします。

実際の形は太さが一定とは限らず、途中で膨らんだり、管が曲がったりします。その場合、一本の円柱として求めた値は近似です。写真の縦の長さは曲がった管に沿う長さとも違います。問題が高さを測ったのか、管に沿った長さを測ったのかを読み、比較する量をそろえましょう。

成長の速さを調べるとき、開始から五分後の全長を五で割る前に、開始時点ですでに長さがあったかを確かめます。初めの十ミリメートルが五分後に三十ミリメートルなら、新しく伸びたのは二十ミリメートルです。この読み方は植物の伸びの資料にも通じますが、ここで管をつくる原因は化学的な膜の形成です。同じ成長という言葉でも、生物の細胞が増える仕組みを当てはめないことが、本稿で押さえたい区別です。