乾いて見える結晶を空気中に置くと、重さが減ることがあります。結晶のつくりに含まれていた水が外へ出る風解です。目に見える液体がないから水もない、と判断しないことが出発点になります。逆に、重さが減ったという記録だけで、何でも風解と決めることもできません。
中学入試で未知の物質Xが示されたら、物質名を知っているかより、「出ていくのは水だけ」「水以外の成分は残る」という条件を使います。加熱した硫酸銅の色の暗記とは分け、放置中の成分の内訳と、変化の途中の重さを追う問題として考えましょう。
結晶の水と、表面に付いた水を区別する
結晶水は、濡れた結晶のすき間に残る母液や、表面の水滴とは違います。拭いて見た目を乾かしても、結晶の構成に含まれる水がなくなったとは限りません。風解では、この水の一部が水蒸気として外へ出て、結晶の状態が変化することがあります。すべての結晶が同じように変わるわけではありません。
空気の湿り具合や温度によって、変化しやすさも異なります。したがって、ある日に一時間で何g減ったという結果を、別の日や別の物質へそのまま延ばせません。例題では変化前後の組成を指定し、その間に何が移動したかだけを計算します。
いつも残る成分を先に決める
水を含む結晶10gのうち、水以外の成分が4gなら、含まれる水は6gです。変化後の固体が7gだった場合、水以外の4gは同じなので、水は3g残っています。減った3gを「成分が3g消えた」と考えず、外へ移った水として記録します。
水が出たからといって、残った固体が必ず完全な無水物になるわけではありません。変化後にも水を含む状態で止まることがあります。最後の水の量が示されているか、それとも重さだけが示されているかを読み、分からない部分を勝手にゼロにしないでください。
例題1｜途中の固体に水は何g残る？
結晶Xは水以外の成分と水を、重さで2対3の割合で含みます。Xを15g取り、外へ出るのは水だけという条件で置いたところ、固体の重さは11gになりました。外へ出た水と、固体内に残った水をそれぞれ求めてください。
答え・解説： 初めの水以外の成分は15×2/5＝6g、水は9gです。外へ出た水は15−11＝4g。残った水は11−6＝5gです。9−4でも5gとなります。「11gの3/5」を計算してはいけません。2対3は変化前のXの組成であり、変化後の固体の割合ではないからです。
例題2｜完全に変わった部分の割合
同じXは、指定した条件で十分に変わると、初めの重さの40％を水として放出するとします。Xを20g置いたところ、全体で4g減りました。変化した部分はすべてこの最終状態になり、残りは全く変化していない二種類の混合だとすると、変化したXは初めの何gに相当しますか。
答え・解説： 変化した分を元のXの重さで考えます。その40％が4gなので、4÷0.4＝10gです。初め20gの半分に相当します。変化後にある固体10gという意味ではなく、変化前のX10gが水4gを放出し、6gとして残ったということです。未変化の10gと合わせ、最終固体は16gになります。
粉になったことと、重さが減ったことは別の観察
大きな結晶が白っぽい粉へ変われば、見た目の面積や光の散乱も変わります。しかし粉になったという形だけでは、何gの水を失ったかは分かりません。形の記録、重さの記録、水を検出する記録は、それぞれ別の根拠です。必要な結論に、どの記録が対応するかを確かめましょう。
開いた容器で固体だけを量れば重さは減っても、密閉した容器全体で量れば、水が容器の外へ逃げない限り総重量は変わりません。容器内の別の場所に水滴が現れた場合にも、水が新しく生まれたとせず、結晶から空気を通じて移動した可能性を考えます。どこまでをはかりに載せたかが、重さの問題の境界です。
反対に空気中の水を取り込んで液体になる潮解は、水の移動方向が逆です。風解という字を潮解と混同しそうなら、結晶から外へ、水が外から中へ、と矢印で書き分けてください。名称より先に矢印が描ければ、途中の重さや残る成分の計算にもつながります。
保存した後の同じ一さじは、同じ成分量ではない
水を失った固体は、水以外の成分の割合が高くなっています。初めの結晶と風解後の固体を同じ5gずつ量っても、水以外の成分量が等しいとは限りません。初めの2対3という割合なら5gに成分2gですが、水が減った後の5gにはそれより多く含まれる場合があります。同じ重さをそろえることが、何をそろえる操作なのかまで考えましょう。
風解した部分と未変化の部分が混ざる例題2では、元の重さを基準に変化した割合を求めました。変化後の固体6gと未変化10gを比べると3対5ですが、元のXとしては10gずつです。時点を取り違えると半分という答えと矛盾して見えます。初めの欄と最後の欄を二列にし、同じ部分を横線で結べば整理できます。
容器のふたを開けて測るたびに変化が進む場合も、時刻の記録は欠かせません。最初と最後を同じ状態の試料と呼べないなら、重さの差には保存中の変化が含まれます。単に測定ミスとせず、測っている間にも試料の状態が変わり得るという視点を持つと、実験結果の扱いが丁寧になります。