コーンスターチなどのデンプンを水に多く混ぜると、ゆっくり動かしたときには流れるのに、急に力を加えると強く抵抗することがあります。これを見て「押すと氷になる」と説明するのは違います。冷やして凍らせたわけではなく、粒を多く含む混合物の流れ方が変わっています。
水にデンプンを混ぜたものは、食塩水のように全部が溶けた水溶液ではありません。小さな固体の粒が液体中に分散しています。粒が密に集まった条件では、変形させ方によって粒同士の関わり方が変わり、急に動かそうとすると大きな抵抗が生じます。
「固そう」と「固体になった」を区別する
手応えは、物を分類する一つの手がかりですが、それだけで状態変化を確定することはできません。力を止めるとまた流れるなら、その時間変化まで記録する必要があります。押した瞬間だけの写真では、前後の挙動が抜け落ちます。
こうした現象はせん断増粘などとして研究されています。小学生の段階では、難しい式を覚えるより、動かす速さと抵抗が単純に比例しないこと、粒を含む混合物であることを押さえましょう。すべての濁った液体で同じ現象が起こるわけではありません。
図では、ゆっくり変形させる場合と急に変形させる場合を左右に分けています。粒のつながり方は説明用の模型であり、粒が化学反応して新しい物質へ変わる図ではありません。右側の状態を永久に固まった塊として扱わないでください。
例題1 何を変えた比較なのか
同じ容器の混合物に、同じ形の棒を同じ深さまで動かします。操作Aではゆっくり、操作Bでは速く押し、Bの方で大きな抵抗を感じました。比較したい条件は何ですか。温度を測っていないのに「Bで凍った」と書いてよいでしょうか。
答え・解説： 主に変えたのは棒を動かす速さです。混合物の量、濃さ、棒の形、深さなどをそろえて比較します。抵抗が大きくなっただけでは、凍結を示したことになりません。操作を止めた後に流れるか、温度はどうかなど、説明に対応する観察が必要です。
手で感じる抵抗は個人差があるため、測定値のように細かい数字を付けないことも大切です。「大きく感じた」という観察と、装置で測った力を別々に記録すれば、証拠の強さが分かります。
例題2 混ぜる割合を計算する
説明用の試料Pはデンプン120gと水80g、試料Qはデンプン120gと水120gを混ぜたものです。それぞれ、全体の重さに占めるデンプンの割合は何％ですか。PとQで同じ手応えになると決められますか。
答え・解説： Pは120÷200×100＝60％、Qは120÷240×100＝50％です。割合が異なるので、粒の詰まり方も同じ条件とは言えません。手応えは実際に確かめる必要があります。また、この数字は水溶液の濃さと同じ計算形式ですが、デンプンが全部溶けたことを意味しません。
実験の配合を質量で比べる場合と、カップで体積を量る場合も区別します。粉にはすき間があり、押し詰め方で一杯の重さが変わります。「粉二杯、水一杯」を、そのまま質量の比2対1に置き換えないでください。
加熱したデンプンのとろみとは、条件が違う
料理ではデンプンを含む液を加熱し、とろみを付けることがあります。これは常温で粒を多く分散させた試料を急に動かす観察とは、温度も粒の状態も異なる場面です。「デンプンが固くなる」という言葉だけで二つを同じ仕組みとして説明しないようにします。
比較する試料を温めたり冷やしたりするなら、その操作は別の条件として扱います。もとの試料と同じと考えて数値を並べる前に、準備方法が変わっていないか確認してください。
小さな量で、ゆっくり確かめる
家庭で観察する場合は、飛び散らない小さな容器と少量の試料で十分です。大きな桶に入って走るような実験をまねする必要はありません。粉を吸い込まないよう静かに扱い、強くたたいて容器を壊す操作も避けます。
使い終わった混合物を大量に排水口へ流すと、詰まりの原因になることがあります。片付け方を大人と決め、観察用に使ったものを食べないようにしてください。安全に比べられる範囲で、押す速さを変えた後の戻り方まで見る方が、強い力で驚くことより学びになります。
この題材では、見えた現象をすぐ知っている状態変化へ当てはめないことが重要です。「急に動かすと抵抗が増えた」「止めるとまた流れた」と順に書けば、凍る・溶けるとは異なる現象を、自分の言葉で説明できます。
一度の成功だけで、配合を決めない
粉と水の割合が同じでも、混ぜた直後としばらく置いた後では、粒が均一に分かれているとは限りません。上の方だけから試料を取った場合と、底まで混ぜ直した場合を同じ条件にしないようにします。表面から水が蒸発すると配合も変わるので、長時間放置したものには経過時間を添えます。
棒を急に引き抜く操作と押し込む操作でも、液面の形や容器の底との距離が違います。どちらも手応えが強かったとしても、一つの数値へまとめず、操作の名前を残してください。まず比較可能な記録を作ることが、不思議な手触りを実験結果へ変える出発点になります。