「細かくしたほうが、よく溶ける」
この説明、間違いとは言い切れません。でも、「よく溶ける」とはどういうことでしょうか。早く溶け終わることなのか、たくさん溶けることなのか。理科では、この二つを分けて考えます。
早く溶けることと、たくさん溶けること
同じ量の水を用意し、同じ温度で、粒の大きな食塩と細かくした食塩を溶かすとします。食塩の量やかき混ぜ方などもそろえます。
細かくすると、水に触れる表面積が大きくなり、一般に溶ける速さは大きくなります。
ただし、同じ量・同じ温度の水に溶ける食塩の限界量が、細かくしたことで増えるわけではありません。ここを一緒にしないことが大切です。
何を測った実験なのか
溶け終わるまでの時間を測ったなら、調べているのは速さです。
一方、十分にかき混ぜて待っても溶け残りがある状態まで調べるなら、溶ける量の限界を考えられます。途中で見ただけでは、まだ溶けていないのか、これ以上溶けないのかが分かりません。
問題文に「時間」「溶け残り」「十分に」とあれば、何のための言葉かを確かめましょう。
変える条件は、調べたいことから決める
粒の大きさの影響を調べたいのに、片方だけお湯にしたらどうでしょうか。
早く溶けたとしても、粒が細かかったからなのか、温度が高かったからなのかを分けられません。
「条件をそろえる」と覚えるだけでなく、そろえなかったら何が分からなくなるかまで説明してみてください。実験の組み合わせを選ぶ問題でも、その説明が判断の根拠になります。
編集補足：「まだ残っている」と「これ以上溶けない」は違う
以下は、観察時間と溶ける量を区別するための編集補足・自作例題です。蒸発や飛び散り、物質の分解はなく、水の温度を一定に保って比べるものとします。表に使う数値は説明用に設定したもので、特定の物質の測定結果ではありません。
溶け残りを見たとき、すぐに飽和したとは決められません。入れたばかりで水に触れる時間が短ければ、溶ける余地があっても固体が見えます。限界量を調べるには、温度を変えずに十分な時間を取り、かき混ぜ方なども管理する必要があります。一瞬の写真から読み取れるのは、その時点で固体が残っているという事実までです。
実験の問いを短く書き直してみましょう。「何秒で終わるか」なら時間の比較、「何gまで溶けるか」なら最終的な限界量の比較です。この二つを先に分けると、どの記録を使うかが決まります。「よく溶けた」という曖昧な感想を、測定した量に置き換えることが出発点です。
例題1：30秒後の違いから、限界量を言える？
同じ温度の水100gに、同じ物質を10gずつ入れました。Aは大粒、Bは細かい粒で、かき混ぜ方もそろえました。30秒後にはAが6g、Bが9g溶けていました。その後、同じ条件を保って待つと、どちらも10g全部が溶けました。この結果だけから、Bの方が限界量も大きいと言えますか。
言えません。 30秒後にはBの方が多く溶けており、この時間内の溶け方に差があることは分かります。しかし最後には両方とも10g全部が溶けました。どちらの水にも10gは溶けると分かるだけで、それ以上どこまで溶けるかは調べていません。
最終的な量が10gだったから、溶解度は水100gにつき10g、とするのも誤りです。10gしか入れていないため、限界より少なかった可能性が残ります。入れた量、途中で溶けた量、限界まで溶かせる量を、表の別々の欄に書いてください。
この記録から「常にBの速さがAの1.5倍」とまでは言えません。30秒間に溶けた量の比は9対6ですが、溶ける速さがずっと一定だったという記録ではないからです。途中の一つの時刻で見た比を、全時間の比例関係へ広げないようにします。
例題2：残った固体から、溶けた量を求める
一定温度の水80gに、物質Xを30g入れました。十分に時間を置いても10gが溶け残り、温度などの条件を保つとそれ以上は溶けませんでした。水や物質の損失はなく、残った固体は付着した水を含まない質量として与えられています。溶けた量と、水100g当たりの限界量を求めてください。
溶けた量は20g、限界量は水100g当たり25gです。 入れた30gのうち10gが残るので、30−10＝20gが水に移っています。この20gは水80gに対する量です。100gにそろえると20×100÷80＝25gになります。
30×100÷80とすると、入れた固体を全部溶けたものとして扱っています。10×100÷80なら、溶け残りを溶解度へ換算しています。計算を始める前に、30g、10g、20gが何の量なのかを言葉で区別しましょう。
実際の実験でぬれた固体をそのまま量ると、水の重さも含まれます。例題ではその問題を避けるため、固体だけの質量を条件にしました。実験問題では、ろ過した後にどう量ったのかという操作にも目を向けます。引き算が合っていても、引く量の意味が違えば正しい結論にはなりません。
粒を細かくする効果だけを調べる組み合わせ
大粒を冷水へ、細粒を温水へ入れて比べたら、粒の大きさと温度の二つが変わっています。速さに差が出ても、原因を一つに絞れません。粒の効果を調べるなら、物質の種類、入れる重さ、水の重さと温度、かき混ぜる方法、観察を始める時点をそろえます。
観察開始を「固体を入れた時」と決めたのに、片方だけ入れてからしばらく待って時計を動かすと、時間の比較になりません。器具や数値の条件だけでなく、操作の順番も記録します。写真を比較する場合には、入れてから何秒後なのかがそろっているかを確認してください。
温度の影響を調べるなら、今度は温度を変え、粒の大きさなどをそろえます。すべてを同じにするのではなく、調べたい条件を一つ変えます。「何を変えたのか」と「なぜほかをそろえたのか」を続けて説明できると、比較実験の組み合わせを選びやすくなります。
限界を調べる途中で温度が変わっていないか
水を温めれば限界量が大きく変わる物質もあります。粒を砕いたり強くかき混ぜたりする比較でも、温度がそろっていなければ、同じ条件の限界量とは言えません。溶け残りが減った理由を考えるときには、まず記録された温度へ戻ります。
結果として書くのは「30秒後に何g溶けていた」「同じ温度で十分待っても何g残った」といった観察です。その後に、粒の大きさや水と触れる面積について考察します。観察と理由を分けると、資料にないことを結論へ混ぜずに説明できます。