中学受験理科｜気体を洗ってから乾かす理由｜装置を通す順番と成分の行き先

気体の準備では、目的の気体のほかに水蒸気や不要な成分が混ざることがあります。洗浄用の液体で不要な成分を取り除いても、その後の気体が乾いているとは限りません。水を含む液体へ通す操作と、水蒸気を除く操作は役割が違うからです。

中学入試では、装置AとBの働きが文章で示され、「どちらを先につなぐか」と問われることがあります。名前を覚えた順番で答えず、各装置を出た時点で何が含まれているかを書きます。ここでは実物の薬品を使う手順ではなく、性質が指定された安全上の操作を伴わない図の問題として扱います。

一つの箱を通るたびに、成分表を書き換える

目的の気体P、取り除きたい気体Q、水蒸気Wの三列を作ります。洗浄箱AはQを除くがPはほとんど失わず、出口にWを含ませると指定します。乾燥箱BはWを除き、PもQも除かないものとします。このときAの後にBを置けば、Qを除いてから、Aで加わるWを除けます。

逆順では、BでいったんWを除いても、最後のAで再びWが入ります。「乾燥装置を一回通った」という履歴だけでは、最後に乾いている保証になりません。最後の状態は、最後までの変化を順に追って初めて決まります。

装置A・Bの性質を指定した模型。実際の薬品操作の指示ではない。

乾燥剤なら何でも使える、洗浄液なら不要物だけを選んで除く、というわけではありません。目的の気体がよく溶ける液体へ通せば、必要な気体も失う可能性があります。目的の気体と反応する物質も不適当です。図に装置を並べる前に、各材料と各成分の関係を表へ書きましょう。

「除く」と「反応して別の気体を生じる」も別の操作です。消えた成分だけに印を付けて、新しく生じた成分を忘れると、出口の組成を誤ります。例題では物質の具体名を伏せ、問題文に与えた除去能力と水蒸気の出入りだけを使います。

入口の気体にはPとQとWが含まれます。AはQを全部除き、出口にWを含ませます。BはWを全部除き、PとQには作用しません。Pだけを出口へ得るには、AとBをどちらの順に通しますか。両装置の処理能力は十分で、ほかの漏れや変化はないものとします。

答え・解説： A、次にBです。Aの出口はPとW、Bの出口はPだけです。B、次にAでは、Bの出口はPとQ、Aの出口はPとWとなります。Qの除去には成功していても、乾燥という目的を最後に満たしていません。箱ごとの出口を二行で示せば、順番の根拠を説明できます。

Aを通った気体を一回分集めると、水蒸気が0.12g含まれる模型です。Bが吸収できる水の量は合計0.50gで、能力が残っている間だけ水を完全に除きます。新しいBで同じ一回分を続けて処理すると、何回分まで完全に乾かせますか。五回目に外へ出る水は何gですか。

答え・解説： 四回分は0.12×4＝0.48gなので完全に除けます。五回目の直前に残る能力は0.50−0.48＝0.02g。五回目の0.12gのうち0.02gしか除けず、0.10gが出口へ出ます。「0.50÷0.12＝約4.17回」から、五回全部が乾くと繰り上げないでください。

装置の順番が適切でも、材料が使い終わっていれば性能は保てません。図の推論では能力が十分という条件を置きますが、実験記録を読む場面では、乾燥前後の検出結果や装置の状態も根拠になります。設計として正しいことと、今回の気体が条件を満たすことを分けて考えます。

また、洗浄箱の液体へ深く管を入れる側と、出口になる側が逆になっている模式図では、指定どおり液体と接触しない場合があります。管の名前だけでなく、気体が実際に液体の中を通る道を指でたどります。圧力や逆流に関わる現実の操作は別の管理が必要なので、ここから実施手順を推測することはしません。

順序問題は、単にAの次はBと覚えるより、「Aの後で新しく増えるものをBが取り除く」と説明する方が強くなります。別の問題でAが水を加えない設定へ変われば、順序に関する答えも変わり得ます。装置名の記憶より、入口と出口の成分表を使ってください。

ある材料が水蒸気を吸収するという性質は、どれだけ大量でも永久に吸収するという意味ではありません。入口の気体の成分表には有無を書き、装置の容量表には残りの吸収量を書きます。同じ箱を二回使うなら、最初の処理で減った容量を引き継がなければなりません。

例題2の五回目を二つの部分に分けると、最初の水0.02g分だけを除いた後、残り0.10g分は外へ進みます。能力が尽きる時点を境に出口の条件が変わるため、一回全体を乾いた、湿ったの二語だけで扱うより、時間順に分けると理解しやすくなります。

気体Pをほとんど失わないという文章と、全く失わないという模型条件も区別してください。定性的な順序の問いでは前者で議論できますが、Pの回収量を正確に求めるなら、どれだけ残るかの割合が必要です。本稿の例題1は成分の有無、例題2は水の処理量を問うので、Pの実回収率を勝手に計算していません。