粉を水へ入れると、コップが冷たくなった。こう聞くと、「溶けると熱を奪うから」とすぐ答えたくなるかもしれません。でも、その粉はもともと冷えていませんでしたか。水の温度は何度でしたか。温度が下がったという結果だけでは、原因を一つに決められません。
物質が水に溶けるときには、熱を吸収する場合も、熱を放出する場合もあります。その温度変化を調べる実験では、物質の種類と一緒に、実験を始める前の状態を読むことが大切です。今回は、溶けた量や溶ける速さとは問いを分けて、温度計の数字から何が言えるかを考えます。
溶けることと、融けることを分ける
氷が水になる変化は、固体から液体への状態変化です。一方、砂糖などが水の中に広がって水溶液になる変化は、溶解です。どちらも日常では「とける」と言いますが、実験では同じ操作ではありません。粉が見えなくなったから、その粉が液体に融けた、と決めないようにしましょう。
水へ溶けるとき、物質と水の間で起こる変化に伴って熱の出入りがあります。熱を吸収する変化なら、周囲や水溶液から熱を受け取ることで温度が下がる場合があります。熱を放出する変化なら、温度が上がる場合があります。「水に溶ける物は全部冷える」という規則はありません。問題に示された物質と測定結果を、その都度対応させます。
冷たい粉を入れただけでも、水は冷える
室温の水に冷たい物を入れれば、溶解による熱の出入りがなくても、水から冷たい物へ熱が移動します。そこで、水と粉をできるだけ同じ温度にそろえてから比べます。始めの温度が違うままでは、混ぜたことによる温度の変化と、溶解に伴う変化が重なってしまうからです。
容器の材質や大きさ、水と粉の量、混ぜ方も、比較の条件になります。大きな金属容器と小さな断熱容器では、周囲とやり取りする熱や容器自身の温まり方が違います。実験の絵で温度計ばかりを見るのでなく、同じ容器を使っているか、量の指定はそろっているかを確認してください。温度の数字だけを抜き出して比べると、条件の差を見落とします。
いつ読んだ温度なのかも重要
水溶液が室温より低くなれば、時間がたつにつれて周囲から熱を受け取りやすくなります。逆に室温より高くなれば、周囲へ熱を失いやすくなります。十分に時間がたって室温に近づいた値だけを見ても、溶けている途中の変化を捉えられないことがあります。
そのため、実験の説明に「最低温度」「最高温度」「混ぜ始めてから何秒後」などがあれば、測った時点まで含めて読みます。片方は混ぜた直後、もう片方はしばらく放置した後では、公平な比較になりません。温度変化の大きさを論じるには、外との熱の出入りをできるだけ小さくし、測定する方法をそろえる必要があります。
例題1｜Aは吸熱、Bは発熱？
同じ温度22℃の水と粉を使い、同じ量、同じ容器、同じ方法で混ぜました。周囲との熱のやり取りは無視でき、粉はすべて溶けるものとします。粉Aでは18℃、粉Bでは27℃になりました。それぞれ何℃変化し、溶けるときの熱の出入りはどう違いますか。
答え・解説： Aは22−18＝4℃下がり、溶解に伴って熱を吸収したと考えます。Bは27−22＝5℃上がり、熱を放出したと考えます。どちらも「溶けた」のに、変化の向きは反対です。始めの温度がそろい、外との熱の出入りを無視できるという条件があるから、今回の結果を溶解に対応させられます。
例題2｜冷蔵庫から出した粉で、吸熱と決めてよい？
5℃の粉を25℃の水へ入れたところ、混合後の温度が下がりました。この結果だけを根拠に、「この粉は水に溶けるとき必ず熱を吸収する」と結論づけてよいでしょうか。比較をやり直すなら、まず何をそろえますか。
答え・解説： この結果だけでは結論づけられません。冷たい粉を温めるために、水から熱が移動した可能性があるからです。まず粉と水の始めの温度をそろえます。加えて量、容器、混ぜ方、読み取る時点もそろえます。温度が下がる別の理由を残したまま、溶解の性質だと断定しないことが重要です。
温度差が大きいことと、熱の量が多いことは同じ？
同じ熱の量を失っても、物の量や温まりやすさが違えば、温度変化は違います。したがって、条件の異なる二つの水溶液で「こちらは5℃、あちらは3℃下がった」と分かっても、それだけで吸収した熱の量の大小は決まりません。温度計が直接示しているのは温度です。熱の量を比較するには、その間をつなぐ条件が必要になります。
実験の結論を書く前に、原因の候補を一つずつ減らしてみましょう。粉が冷たかったのか、外へ熱が逃げたのか、溶ける変化に伴って熱が出入りしたのか。問題文が何をそろえているかには、理由があります。その理由まで読めると、見慣れない物質の実験でも、知っている名称だけに頼らず考えられます。薬品を自分で混ぜて確かめるのでなく、まずは与えられた資料の条件を比較してください。
溶けても重さが残ることは溶解と重さの記事で、熱の移動経路は伝導・対流・放射の記事で確かめられます。