食塩水から食塩を取り出す実験で、蒸発皿を熱しました。
水が少なくなったところで、火を止めます。
「まだ水が残っているのに、やめてよいの？」
そう思ったら、火を止めた直後の蒸発皿が、どんな状態かを考えてください。
火は消えても、皿はまだ熱いままです。その熱で、残った水の蒸発が進みます。
火を止めた瞬間に、冷たくなるわけではない
加熱中は、蒸発皿も温まっています。火を止めると火から熱を受け取らなくなりますが、皿の温度が一瞬で室温になるわけではありません。
皿に残った熱を「余熱」といいます。
食塩水が少なくなったら火を止め、余熱で残りの水を蒸発させます。最後まで強く熱し続けると、出てきた固体がはじけ飛ぶおそれがあります。
「水をなくしたいから、なくなるまで火をつけておく」とはしないのです。参考：教育出版「蒸発皿の使い方」
水が減ると、溶けていられる食塩も少なくなる
食塩水を熱していると、初めは見えなかった白い粒が出てきます。
水が蒸発して減ると、その水に溶けていられる食塩の量も少なくなるためです。
ここで、水が食塩に変わったわけではありません。もともと水に溶けていた食塩が、結晶として見えるようになっています。
水はどこへ行ったか。食塩はどこに残ったか。二つの行き先を分けて考えましょう。
「火がない」と「蒸発しない」は違う
水は、火で熱しているときだけ蒸発するものではありません。室温でも、表面から少しずつ蒸発します。
火を止めた後の蒸発皿では、さらに皿がまだ熱いことにも注目してください。
「火を止めたから、変化も全部止まる」と決めず、容器や中の物の状態を確かめることが大切です。
触って確かめず、冷めるのを待つ
火が消えている蒸発皿も、すぐに素手で触ってはいけません。見た目では温度が分からず、やけどのおそれがあります。
また、早く冷やそうとして熱い皿に水をかけると、急な温度変化で割れるおそれがあります。
実験は先生の指示に従い、加熱中に顔を近づけず、火を止めた後の扱いにも注意してください。
最後に、一問だけ
「食塩水を熱した蒸発皿は、火を止めるとすぐに冷えるので、水の蒸発も止まる」
この説明は正しいでしょうか。
正しくありません。皿には余熱があり、火を止めた後も水の蒸発は進みます。そもそも、蒸発には必ずしも火は必要ありません。
操作の名前を覚えたら、その直後に何が残っているのかも考えてみる。今回は、皿に残っている熱が説明の手がかりです。
こまごめピペットは、先を上に向けてよい？｜液体の行き先を考えよう
編集補足：消えたのは火であって、皿の熱ではない
以下は、食塩水の蒸発と質量の記録を考えるための編集補足・自作例題です。食塩は分解・蒸発せず、はね飛びやこぼれによる損失もない基本モデルを使います。実際の加熱は先生の指示に従い、火を止める時期や器具の扱いを自己判断で変えないでください。
火を止めると、熱源から皿へ伝わる熱はなくなります。しかし、その時点までに皿や中身が蓄えていた熱は残っています。皿は周囲へ熱を渡しながら冷え、水の蒸発も進みます。「熱を新たに受け取ること」と「すでに持っている熱を使うこと」を分けると、火を止めた後の変化を説明できます。
ただし、どんな量の水でも余熱だけで必ず全部蒸発する、という意味ではありません。残る水の量、皿の温度や材質、周囲の条件によって変わります。基本操作では、少量になったところで加熱をやめ、余熱を利用するという意味で考えます。水が多い段階で止めても同じ結果になる、と広げないようにします。
例題1：水がなくなった後、皿ごとは何g？
空の蒸発皿は42gでした。ここへ水24gと食塩6gからなる食塩水を入れ、水だけをすべて蒸発させました。皿と食塩を十分に冷まして量ると、合わせて何gになりますか。食塩や皿の質量は変わらず、飛び散りなどはないものとします。
48gです。 水24gは外へ出ますが、食塩6gは皿に残ります。皿42gと食塩6gを足し、42＋6＝48gです。初めの皿ごとの質量は42＋24＋6＝72gなので、減った72−48＝24gは蒸発した水と一致します。
「食塩水30gがなくなった」として42gと答えると、食塩まで水と一緒に失われた扱いになっています。見えていなかった食塩も最初から存在し、水が減るにつれて固体として見えるようになります。蒸発皿で取り出す対象が何かを、質量の計算にも反映させましょう。
この例題で十分に冷まして量るとしたのは、熱い皿をそのまま扱わないためです。火が消えたことや、液体が見えないことだけを、冷めた証拠にはしません。実験では指定された器具と手順で扱います。
例題2：火を止めた後、質量が減った理由
例題1の途中で火を止めたところ、後の測定で皿ごとの質量が52gから48gへ減ったとします。食塩の損失はなく、最後には水が残っていません。この差の4gは何ですか。また、「火を止めたのだから、水の蒸発ではない」と説明してよいですか。
差は、途中の測定後に蒸発した水4gです。火を止めても蒸発は続き得ます。 最後の48gは皿42gと食塩6gだけです。途中の52gには、それに加えて水4gが残っていました。余熱を使うことや、表面からの蒸発が起こることを考えれば、火が消えてから質量が減ることと矛盾しません。
ただし、実際の測定で4g減ったからといって、条件を確かめずにすべて水だと決めつけるのは避けます。食塩がはねた、こぼれたなどの損失があれば、その分も減ります。例題では損失がない条件を置いているため、水の量として計算できます。観察と条件を合わせて説明する必要があります。
白い粒が見えた時点と、水がなくなった時点は同じではない
加熱中に食塩の結晶が見え始めても、液体の水が残っていることがあります。水の量が減り、その水に溶けていられない分が固体として出てくるためです。結晶があることと、完全に乾いていることを同じ意味で使わないようにします。
逆に、見た目で液が分かりにくくなったからといって、強く熱し続ければよいわけでもありません。少量の液が残る段階での加熱は、飛び散りにつながるおそれがあります。火を止める判断は、実験の指示に沿って行います。操作の理由を問われたら、「余熱を利用する」と「強い加熱を続けることによる飛び散りを避ける」をつなげて説明します。
回収したいものによって、蒸発と蒸留を分ける
蒸発皿で水を外へ逃がす方法は、食塩など残る固体を取り出す目的に合っています。一方、水そのものを集めたいなら、出ていく水蒸気を冷やして液体に戻し、回収する仕組みが必要です。水を逃がしただけでは、回収したことにはなりません。
器具の図を見たら、残る側と外へ出る側へ矢印を描き、どちらを集めたいのかを確認します。ろ過で砂を除く操作、水を蒸発させて食塩を残す操作は、同じ分離でも役割が違います。操作名を選ぶときには、何が混ざっていて、最終的に何を得たいのかを先に言葉にしてください。