原油を加熱し、蒸留塔でガソリンや灯油などに分ける図を見たことがあるかもしれません。その図を見て、「塔の出口から、完成した一種類の純物質が出てくる」と考えていませんか。
原油にはさまざまな炭化水素などが含まれています。沸点の違いを利用して分けた部分を留分といいますが、一つの留分にも複数の成分が含まれます。分離したこと、純物質になったこと、製品として完成したことは、それぞれ別の段階です。
沸点が一つではない混合物を扱う
純粋な物質の沸点を表す場合は、圧力を決めた上で一つの温度を考えます。一方、原油のような混合物には、沸きやすさの違う成分が一緒に入っています。加熱していくと、出てくる蒸気の成分も変化します。
蒸留塔では、上の方と下の方で温度が異なり、蒸気と液体がやり取りしながら分離が進みます。単に「軽い液体が上へ浮き、重い液体が下へ沈んだ」という密度だけの分離ではありません。着目するのは沸点や揮発しやすさの違いです。
図は温度差と留分の関係を簡単にしたものです。実際の製油所の配管や各留分の温度範囲を正確に描いた図ではありません。上ほど低温という関係と、取り出す部分が混合物であることを押さえます。
留分の名前と、完成品の名前を混ぜない
蒸留で分けた後には、硫黄分などを除く処理、成分を変える処理、複数の成分を混ぜて性質を調整する工程などがあります。製品に必要な性質をそろえるには、蒸留だけでは足りない場合があります。
ガソリンも、一種類の分子だけからできた純物質ではありません。一定の品質に調整した混合物です。「製品名が一つだから、物質も一種類」とは限らないことが分かります。
理科の模式図では、多くの工程を省略して一本の矢印で示すことがあります。矢印が短いことを理由に、間の処理が存在しないと考えないでください。何を説明する図なのかによって、書かれている情報の細かさが違います。
例題1：留分を足すと、元の量と合う？
仮の分離模型で、原料100kgからA留分18kg、B留分27kg、C留分35kg、残った部分20kgが得られました。外へ失われた物や加えた物はないとします。BとCを合わせた割合は何％ですか。
答え・解説： BとCは27＋35＝62kgなので、62÷100×100＝62％です。18＋27＋35＋20＝100kgと全体の収支も確かめられます。この割合は仮の原料と操作の値で、実際の原油なら常に同じ内訳になるという意味ではありません。
蒸留と分解では、起きていることが違う
蒸留は、成分の沸きやすさの違いを利用して分ける操作です。一方、石油精製に含まれる分解の工程では、分子そのものの構造を変えます。どちらも工場の中で行われますが、同じ変化ではありません。
資料に「大きな分子を小さな分子へ変える」と書かれていたら、単なるふるい分けや蒸留の話とは区別します。蒸留の模式図だけを根拠に、分子が切られたと説明することはできません。
この区別は、理科で扱う分離と化学変化を整理する助けになります。見た目が変わるかどうかだけで判定するのではなく、元の物質の成分を分けたのか、違う物質へ変えたのかを読むのです。
例題2：容積の割合を、そのまま重さに使える？
模型の液体PとQを、それぞれ10Lずつ用意しました。Pは1Lあたり0.7kg、Qは1Lあたり0.9kgです。二つを合わせた重さのうち、Pは何％ですか。混合前の体積だけで答えないでください。
答え・解説： Pは7kg、Qは9kgなので、合計16kgです。Pの重さの割合は7÷16×100＝43.75％です。体積は同じでも、重さは半分ずつではありません。資料がLで示されているのかkgで示されているのかを確かめます。
温度範囲の表を、単一の沸点と読み替えない
留分の説明に温度の幅が書かれているのは、いくつもの成分を含むことと関係します。「この留分は必ずこの温度一点で全部沸騰する」と覚えてしまうと、混合物のグラフと合わなくなります。
さらに、圧力を下げて蒸留する工程もあります。温度の数字だけを見る前に、どの圧力条件で測ったかをそろえます。異なる条件の表を並べて、成分が違うとすぐ決めることはできません。
燃料の加熱は家庭で再現する題材ではありません。ここでは工場の資料を使い、分離・成分変化・製品調整という役割を読み分けます。食塩水の蒸留で基本操作を確認し、気圧と沸騰で条件の違いを補うと、原油の図も読みやすくなります。
蒸留塔の絵の出口は、温度帯に応じた分け方を示すものです。出口の本数だけ種類の決まった分子がある、と読まないようにします。同じ留分に入る物質にも幅があり、その留分をさらに処理して製品にする場合があります。家庭で見る燃料の名前から図の温度を逆に決めるのでなく、まず資料に書かれた沸点範囲を使います。試料が混合物なのか純物質なのかを確認する習慣は、水とエタノールの蒸留を読むときにも役立ちます。