銀色に見える金属が、必ず銀を主成分としているわけではありません。硬貨の材料には、複数の元素を組み合わせた合金が使われています。表面の色を見た結果と、成分表に書かれた中身は、別の手がかりです。「白銅」という名前も、白い純粋な銅を意味するものではありません。
身近な物を理科の問題として読むときは、知っている名前から答えを急がないでください。何でできているか、全体の何％なのか、その割合は重さなのか体積なのか。材料名の横にある数値まで確かめると、物質の性質と計算がつながります。
合金という材料と、材料を重ねる構造
合金は、金属をもとに別の元素を加えて作る材料です。一方、異なる材料を板のように重ねたり、外周と中心で組み合わせたりすることもできます。「混ぜた材料」と「部品として組み合わせた構造」は、同じ説明ではありません。完成品に複数の元素が含まれるというだけでは、内部がどちらの形なのか分からないのです。
2021年に発行が始まった500円貨では、ニッケル黄銅、白銅、銅が使われています。二色三層構造という説明は、その組み合わせ方を指します。財務省の資料にある銅750、亜鉛125、ニッケル125という千分率は、貨幣全体の成分の重さの割合です。中央の見える部分の面積がそのまま75％だ、という意味ではありません。
「千分中750」を100分中に直す
千分率では、全体を1000としたときの内訳を表します。750＋125＋125＝1000なので、三つの成分で全体を数えています。百分率に直すと、銅75％、亜鉛12.5％、ニッケル12.5％です。125を見て125％と読まないように、表の上に書かれた基準を先に囲みましょう。
重さの割合が75％なら、全体の重さを100等分した75個分がその成分です。全体が重くなれば、同じ割合でも成分の重さは増えます。一方、割合だけから体積は求められません。元素や材料によって、同じ体積の重さが異なるためです。重さの帯グラフを、硬貨を横から切った図の厚さへそのまま置き換えるのも誤りになります。
例題1：千分率の表から、銅の重さを求める
銅750、亜鉛125、ニッケル125という千分率の材料を、計算用に全体20g分用意したと考えます。これは割合を練習する架空の材料で、硬貨一枚の重さではありません。各成分は何gですか。
答え・解説： 銅は20×750÷1000＝15g。亜鉛とニッケルは、それぞれ20×125÷1000＝2.5gです。15＋2.5＋2.5＝20gとなり、全体へ戻ります。15gを求めてから残り5gを二等分しても構いません。二つの割合が同じなので、重さも同じになることを利用できます。
割合が高くても、含まれる重さが多いとは限らない
材料Aの銅が80％、材料Bの銅が60％なら、銅の割合はAの方が高いといえます。しかし、それだけで「銅を多く含むのはA」と重さまで断定するのは早すぎます。Aが小さなかけらで、Bが大きな塊なら、Bに入っている銅の方が多い場合があります。
ここでは比較の言葉をそろえます。「濃い」に当たる割合の比較と、「何gある」に当たる量の比較です。水溶液で身につけた分母の考え方が、金属材料でも役立ちます。ただし、合金を水溶液だと考えるわけではありません。共通しているのは、全体に対する成分の重さを割合で表す計算の構造です。
例題2：銅の割合が低い方に、銅が多い？
架空の合金Aは全体30gで銅80％、合金Bは全体50gで銅60％です。銅を多く含むのはどちらで、何gの差がありますか。また、AとBを損失なく合わせたとき、全体の銅の割合は何％になりますか。
答え・解説： Aの銅は30×0.80＝24g、Bの銅は50×0.60＝30gなので、Bが6g多く含みます。合わせると全体80g、銅54gですから、54÷80×100＝67.5％です。80％と60％を足して二等分した70％にはなりません。二つの材料の重さが同じではないためです。
色、磁石への反応、成分表を混同しない
金属の色から候補を考えることはできますが、色だけで成分や割合が確定するわけではありません。表面の変化や、異なる材料の組み合わせ方も見え方に関係します。また、ある元素を含む合金の性質を、その元素を単独で取り出したときの性質と同じだと決めないでください。
問題文が「磁石についた」と示しているなら、それはその試料について観察された事実です。成分表だけを見て、実際に調べてもいない反応を書き加えないことが大切です。硬貨を削る、溶かすといった実験をする必要はありません。公式の成分表と、観察できる外形や色を照合するだけでも、どこまで説明できるかを練習できます。
最後に、資料の対象を確認しましょう。「500円」という額面が同じでも、発行された型によって材料は異なります。本稿の実例は2021年発行開始の型です。数字を覚えること以上に、どの型の表を読んでいるか、全体をいくつとする表記なのかを確かめる姿勢を身につけてください。