固体の塩が、湿った空気の中で水をかけていないのに液体になることがあります。空気中の水蒸気を取り込み、その水に固体自身が溶ける「潮解」です。固体が熱で融けた場合とは、液体になるまでに加わった物が違います。
塩化カルシウムなどに見られる性質ですが、どんな塩も、どんな湿度でも同じように変化するわけではありません。物質の種類と温度・湿度が関係します。本稿では条件を指定した模型を使い、水の出どころと濃度を整理します。
液体になったら、何が増えたか
乾いた容器に固体を入れ、ふたを開けて湿った空気へ置いたとします。物質が飛び散らず、水だけが出入りする条件なら、増えた重さは取り込んだ水の重さです。最初の固体が消えてなくなったのではありません。見えない粒として水溶液の中へ移っています。
融解なら、その物質が固体から液体に状態を変えます。一方、潮解後の液体は、元の物質と外から来た水を含みます。温度が同じでも、空気から水を受け取ったかどうかで、説明が違います。「透明になった」「流れるようになった」という見た目だけで融解と判断しないようにしましょう。
乾燥剤の吸湿と共通する点もありますが、吸った後の姿は物質によります。水を取り込んでも粒状のままのもの、反応して別の物質になるもの、溶液になるものを一緒に扱うことはできません。乾燥剤という用途の名前と、物質の変化の名前を分けます。
容器の重さを先に除く
電子てんびんで読んだ値に、皿の重さが含まれている場合があります。濃度を出す分母に皿まで入れてはいけません。前後で同じ皿なら、全体の重さの差から水の増加量は求められますが、溶液の重さを知るには風袋を除く必要があります。
さらに、全ての固体が溶けたかも確かめます。底に粒が残るなら、元の固体の全量を、液体中に溶けた量として計算できません。溶解度の条件や、残った固体の重さが別に必要です。以下の例題は、溶け残りがなく、結晶水を含まない物質として重さの区分を単純化しています。
長く放置すれば必ず水を吸い続けるという意味でもありません。周囲の湿度と液体側の状態によって、出入りが落ち着くことがあります。実験値から一時間あたりの増加を求めても、その速さを一日後までそのまま延ばせるとは限りません。
例題1：取り込んだ水と濃度
皿の重さは20gです。皿に乾いた物質10gを入れ、湿った空気へ置くと、全て溶けて皿ごと45gになりました。物質の出入りはなく、水だけを吸ったとします。水の量と、できた液の質量パーセント濃度を求めてください。
答え・解説： 最初は皿ごと30gなので、水は45−30＝15g増えました。液体は45−20＝25g、そのうち物質は10gです。濃度は10÷25×100＝40％です。10÷45では皿を分母に含めてしまいます。
例題2：湿度を下げた後
例題1の液を別の環境へ移すと、水が5g蒸発しました。この時点でも全量が液体で、物質は残っています。液の重さと濃度はいくらになりますか。
答え・解説： 液は25−5＝20gです。物質10gはそのままなので、10÷20×100＝50％です。水だけが減ったため濃くなりました。取り込んだ水を後から失っても、元の物質そのものを5g失ったわけではありません。
開いた系と閉じた系を選ぶ
皿だけを見れば重さは増えますが、水の供給元まで含めて考えると、水が空気側から移ったと分かります。密閉容器の中で皿と湿った材料を一緒に測るなら、外との出入りがなければ全体の重さは変わりません。どこを囲んで測ったかにより、「増える」という答えの対象が変わります。
空気が湿っていたことを示すためには、湿度の記録や、同じ容器を乾いた環境に置いた比較も役立ちます。容器に水滴が落ちた場合まで、空気中の水蒸気だけによる潮解と断定できません。水の入り方を確かめるのが実験の出発点です。
潮解の例を見て、塩を使えばどんな部屋でも湿度をゼロにできる、と一般化しないでください。吸湿には物質ごとの性質と条件があります。入試の資料では、何を吸ったか、どこに残ったか、液体の分母は何gかを図に書き込むことで、言葉の知識と計算がつながります。
はかりの増加だけで「全部が水」と判断できる条件
質量が増えたことは、外から何かが入った証拠にはなります。しかし、ふたのない皿にほこりが入ったり、別の液体が飛び込んだりするなら、増加分のすべてを水とは呼べません。今回の例題では、入ってくるものが空気中の水だけで、溶質も皿も失われないと決めています。この条件があるため、最初と最後の差を吸収した水の質量として扱えます。潮解という言葉だけで、出入りの条件まで省略しないようにします。
皿に白い固体が残っている段階では、全体の質量から計算した値を、上澄みの濃度と同じにできない場合があります。固体として残る分は、液体中に溶けた溶質に含まれないからです。例題の40％は、10gの溶質が全部溶け、溶液が25gになったという条件で求めています。「溶け残りがない」という短い一文が、分子に10を置ける根拠です。液体だけを取り出して考えるときは、取り残した固体の扱いまで追います。
空気中の湿り気が変われば、水を取り込む速さや最終状態も変わります。いつも同じ割合で増え続けるわけではなく、時間だけを二倍にして吸収量も二倍とする根拠はありません。時間と質量の表があれば、増え方が弱まっているかをまず読みます。固体の種類が同じでも、量、表面積、空気の流れ、温度が違えば比較条件がそろいません。濃度の計算と、吸収の速さについての考察を分けると、表の数字にないことを言い過ぎずに済みます。
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