石炭も木炭も、黒くて、燃料として使われます。名前にも同じ「炭」が入っています。それなら、木炭が長い時間をかけて石炭になるのでしょうか。ここでは、まず「黒く見えること」と「どのようにできたか」を分けて考えます。見た目が似ているものを、同じ物質だと決めてしまわないことが出発点です。
石炭は、大昔の植物に由来する物質が地中に埋まり、長い時間をかけて変化してできたものです。一方、木炭は木材を炭化させてつくります。木材を使うことと、古い植物に由来することにはつながりがありますが、できる場所も、時間のかかり方も、つくる過程も同じではありません。
「木が材料」という説明を、もう一段細かくする
木材を日に当てて乾かすだけでは、木炭にはなりません。乾燥では主に水分が抜けます。炭化では、酸素の供給を制限するなどの条件で木材を加熱し、木材の成分が変化します。気体や液体になる成分が出て、炭素を多く含む固体が残ります。水が減っただけの木材と、成分が変わった木炭を区別しましょう。
石炭も「木を土に埋めれば、そのまま石炭になる」と説明するのは不十分です。植物がたまる環境、埋没、その後に受ける熱や圧力などが関わります。現在の林で落ち葉が分解されているようすと、石炭が形成される過程を、そのまま同じ時間の流れとして結びつけることはできません。
ここで覚えたいのは、細かな製造温度の数字ではありません。「何をもとに、どのような条件でできたのか」を一組にして説明することです。原料の名前だけで分類すると、植物に由来する紙、木炭、石炭まで同じものとして扱ってしまいます。
図の矢印は、名前の似ている順ではない
図には、石炭と木炭のでき方を別々の道筋で示しました。木炭から石炭へ向かう矢印はありません。石炭という名前の「石」だけを見て、岩石を燃やしてつくるものだと考えるのも誤りです。名称は手がかりになりますが、名称だけで原料を決めることはできません。
また、石炭も木炭も、炭素だけが集まった純粋な物質とは限りません。種類やつくり方によって含まれる成分は異なります。「木炭が30gできた」という記録から、「炭素が30gできた」と言い換えることはできないのです。重さを読むときには、何という物質の重さを測ったのかを最後まで残しておきます。
例題1：黒い固体を、でき方から区別する
次は分類のための架空の記録です。Aは、大昔の植物に由来する物質が地中に埋もれ、長い時間をかけて変化してできました。Bは、木材を酸素の供給が制限された条件で加熱し、炭化させてつくりました。AとBのうち、石炭と木炭に当たるものを答えてください。また、「どちらも黒い」という観察だけで、この二つを区別できますか。
答え・解説： Aが石炭、Bが木炭です。判断の根拠は色ではなく、でき方です。どちらも黒いという観察だけでは、石炭か木炭かを決められません。「黒いから炭」という答えでは、問題に書かれた地中での変化と、木材の炭化という条件を使えていません。
身近なものの分類では、見た目を使う場面もあります。しかし、似たものを区別する問題では、その見た目が両方に共通していることがあります。共通点をいくつ並べても、区別の根拠にはならない。どこが違うかを探す読み方が大切です。
残った固体が軽いとき、出ていったものを探す
炭化の前後で固体の重さが減っていても、それだけで「物質がなくなった」とは言えません。気体として外に出たものや、冷やすと液体として集められるものまで、測定の範囲に含めて考えます。固体だけを比べるのか、出てきたものも全部合わせるのかで、見ている重さが違うからです。
ただし、実際の炭化では装置の条件や回収のしかたによって測定が難しくなります。次の問題は、その実験を家庭で再現するための手順ではありません。木材に由来するものをすべて集められたという、計算用の条件を置いた例です。木炭の製造や燃焼には高温や有害な気体の危険があるため、ここでは図と記録で考えます。
例題2：100gが30gになったら、70gは消えた？
計算用のモデルとして、乾いた木材100gを炭化させました。外部から物質は加わらず、木材に由来するものをすべて回収できたとします。固体が30g、冷やして集めた液体が45g、気体が25gでした。集めたものの重さの合計と、もとの木材に対する固体の重さの割合を求めてください。
答え・解説： 合計は30＋45＋25＝100gです。固体の割合は30÷100×100＝30％です。固体だけを見ると70g減っていますが、その70gはこのモデルでは液体45gと気体25gとして数えられています。30％は固体として回収された重さの割合であり、木材に含まれていた炭素の割合ではありません。
この問題で確かめたのは、重さを足す範囲です。木炭を空気中で燃やす問題に、この式をそのまま移してはいけません。燃焼では空気中の酸素も反応に加わり、気体が生じます。残った灰だけの重さと、燃焼前の木炭の重さを比べても、反応した物質全体の重さを比べたことにはなりません。
名前・でき方・測った範囲を混ぜない
石炭と木炭の問題では、まず名前を答え、次にその根拠となるでき方を説明します。重さが出てきたら、固体だけなのか、気体や液体まで含むのかを確認します。この順に分けると、用語の知識と、実験結果を読む力を一緒に使えます。
植物に由来するものがどのように変化するかは、落ち葉の袋の重さと分解でも扱っています。また、炭の表面に物質が付くはたらきは、活性炭の吸着とろ過で整理できます。でき方を問う問題と、できたもののはたらきを問う問題を区別しながら読み進めてください。