青い硫酸銅の結晶を見ても、表面が水でぬれているようには見えません。それでも、結晶の構造には水が含まれています。目に見える液体の水だけが、物質に含まれる水のすべてではありません。
硫酸銅の水和物を適切に加熱して水を取り除くと、青い色が薄くなり、白い無水物になります。この変化を考えるときは、色と重さの両方に注目します。青が消えたから物質全体が消えた、という話ではありません。何が外へ出て、何が容器に残ったのかを分けましょう。
表面の水滴と、結晶に含まれる水は違う
洗った石がぬれている場合、水は主に表面に付いています。一方、結晶水は、結晶の構造に組み込まれている水です。見た目が乾いていても、水を含む結晶はあります。「乾いているように見える」という観察から、水がまったくないとは決められません。
本稿では、青い硫酸銅五水和物と白い無水硫酸銅を扱います。化学式を使わなくても、最初の結晶の重さが、加熱後に残る物質と、取り除かれた水の両方に対応することは考えられます。加熱中の詳しい段階をすべて一度に覚える必要はありません。
図の数値は、完全に水だけが取り除かれたと仮定した計算用の記録です。実際の加熱では、途中の状態や試料の飛び散りなどに注意が必要です。白くなったという目視だけで、重さの測定条件がすべて整ったとは言えません。
容器込みの重さから、試料だけを取り出す
理科の表に「容器と物質の合計」が書いてあるとき、その数字をそのまま物質の重さとして使わないようにします。空の容器の重さを引く操作は、加熱前にも加熱後にも必要です。
ただし、減った重さだけを求めるなら、同じ容器の重さは差し引きで消えます。この二つを区別すると、計算の意味が見えます。「水は何g出たか」と「元の結晶の何％が水だったか」では、使う分母が違います。
水の割合を出す際に、容器込みの重さを分母にすると、重い容器を使うほど水が少なく見えることになります。それは物質の性質を表す割合ではありません。割合を作る前に、どこまでを全体としたかを確認してください。
例題1：結晶に含まれていた水の重さ
空の容器は24.00g、青い結晶を入れると27.00gでした。水だけを十分に取り除き、冷まして量ると25.92gでした。取り除かれた水の重さと、最初の結晶に占める水の割合を求めてください。
答え・解説： 水は27.00−25.92＝1.08gです。最初の結晶は27.00−24.00＝3.00gなので、水の割合は1.08÷3.00×100＝36％です。加熱後に残った物質は25.92−24.00＝1.92gで、1.08＋1.92＝3.00gと確かめられます。
白い粉に水を加えて青くなることの意味
無水硫酸銅に水を加えると青くなることから、水の検出に利用されます。しかし、「青くなったから、その液体は純粋な水だ」とは言えません。水を含む別の液体でも反応する可能性があるためです。
また、水を多く加えれば、単に結晶水が戻るだけでなく、硫酸銅が溶けた状態になります。青い固体ができる場合と、青い水溶液になる場合を、どちらも「元の結晶に戻った」と一括りにしないでください。物質の色と、固体・液体の状態は別の観察項目です。
教室で示された実験を説明するときは、操作後に固体が残ったのか、溶液になったのかも書きます。色しか記録していない資料では、状態についてまで補って断定しないようにしましょう。
例題2：容器を変えたら水の割合も変わる？
同じ結晶3.00gを、空で40.00gの容器に入れて、例題1と同じ条件で処理しました。加熱後に残る物質が1.92gなら、容器込みの加熱後の重さはいくらですか。また、水の割合は変わりますか。
答え・解説： 合計は40.00＋1.92＝41.92gです。加熱前は43.00gなので、差はやはり1.08g。結晶に占める水の割合は36％のままです。容器が重くなった分だけ合計は増えますが、試料の組成が変化したわけではありません。
重さが減った理由を、無条件に水と決めない
実験問題で「水だけが出た」「ほかの物質は失われなかった」という条件は重要です。試料が飛び散った場合にも、容器の重さは減ります。過度の加熱で別の分解が進む場合は、減少分をすべて結晶水として扱えません。
十分に処理できたかを調べる方法として、加熱・冷却・測定を繰り返し、重さがほぼ変わらなくなったかを見る考え方があります。ただし、測定のたびに空気中の水を取り込む影響もあり得ます。測定値だけでなく、冷却や保管の条件もそろえる必要があります。
硫酸銅は家庭で扱うための題材ではなく、薬品の取り扱いが管理された授業資料として読みましょう。ここで練習したいのは、乾いた見た目に引きずられず、容器、残留物、出ていった水の三つを分けることです。