中学受験理科｜硬水では石けんが泡立ちにくい？｜使われた量と残る量

同じ石けん液を入れて同じ回数振っても、水によって泡立ち方が変わることがあります。硬水に含まれるカルシウムやマグネシウムの成分は、石けんと反応して水に溶けにくいものを作ります。その分、泡立ちに働く石けんが残りにくくなります。

ただし、泡が少ないことだけで水の硬度を正確に決めることはできません。石けんの種類、濃さ、温度、振り方、観察までの時間も影響します。中学入試の比較実験として読むなら、これらをそろえたうえで、同じ泡立ちへ到達するまでに必要な石けんの量を調べます。

油汚れがなくても石けんが使われる

石けんが減ると聞くと、油汚れを落とすために使われたと考えがちです。しかし、汚れを入れない水でも、水中の成分との反応で石けんが使われることがあります。白いにごりが生じたら、単に泡が白く見えているのか、水に溶けにくい物質が生じたのかを観察で区別します。

硬度は一般にカルシウムやマグネシウムなどの量と関係する指標で、水の汚れ全般を表す数字ではありません。透明な硬水もあります。「泡立たないから汚い」「よく泡立つから飲める」といった判断は、この実験からは導けません。扱う性質を硬度と石けんの関係に限ることが大切です。

例題1。共通の泡立ち分を除く。単位付き硬度の換算表ではない。

同じ泡を作るための共通分を引く

模型では、最初の何滴かが水中の成分に使われ、その後に残った石けんが泡立ちに働くと考えます。成分をほとんど含まない対照の水でも、決めた泡を作るには石けんが必要です。試料に加えた全滴数を、すべて硬度のために消費した量とみなしてはいけません。

例えば対照で3滴、試料で9滴必要だったら、差の6滴を比較の目印にします。滴の大きさが同じで、石けん液の濃さが一定という前提も必要です。細い滴と大きい滴を同じ一滴として比べたり、別の銘柄の液へ途中で替えたりすると、差に水以外の違いが混ざります。

例題1｜泡立ちに必要な共通分を除く

水50mLずつに同じ石けん液を一滴ずつ加え、一定の方法で振ります。同じ状態の泡が30秒残るまで、対照の水は4滴、試料Aは12滴、試料Bは8滴必要でした。共通の泡立ち分を除いた必要滴数を、AとBで比べてください。

答え・解説： Aは12−4＝8滴、Bは8−4＝4滴です。模型上、AはBの2倍に当たります。12対8の3対2ではありません。ただし、これだけで実際の硬度の単位付きの値は出せません。滴数と硬度の対応を決めた標準液の資料が別に必要です。

例題2｜混ぜる前に水量をそろえる

ある模型では、水中の対象成分の量に比例して石けんが使われます。水50mL当たりの補正済み滴数は、Aが8滴、Bが2滴でした。Aを50mL、Bを100mL混ぜ、混合液50mLを試料にします。補正済みの必要滴数はいくつに相当しますか。

答え・解説： A50mLの分は8滴、B100mLの分は2×2＝4滴、合計150mLの分は12滴相当です。その三分の一である50mLには4滴相当となります。8と2を単純平均した5滴では、水量の違いを無視しています。実験で加える総滴数を問うなら、最後に対照の泡立ち分を足します。

泡の高さだけを一枚の写真で比べない

振った直後には大きな泡が多くても、すぐ消える試料があります。比較には「振り終わって何秒後」「何cm以上の泡が残る」など、観察の基準が必要です。一方だけ強く振れば空気の取り込み方も変わるので、容器の形、液量、振る回数をそろえます。見た目を数へ直すには、数える前のルールが重要です。

合成洗剤には石けんとは違う性質の成分が含まれ、この説明をすべての洗浄剤へ一般化できません。商品名でひとまとめにせず、問題に指定された石けん液について考えます。硬水を沸騰させた場合も、どの成分が減るかは水の組成で異なるので、加熱すれば必ず同じ結果になるとは決めません。

この実験の読みどころは、泡という見える現象を、反応で使われる分と共通の泡立ち分へ分けるところです。差を取る理由を言葉で説明してから計算すれば、見かけの滴数の大きさだけに引っ張られず、比較している成分の量へ戻れます。

対照を二種類置く意味を分ける

石けんを入れない試料を置けば、水自体がもともとにごっていないかを確認できます。一方、石けんを入れるが硬度成分が少ない水を用いる対照は、同じ泡を作る共通量を調べるものです。どちらも対照と呼べますが、確かめることは異なります。「対照があるからすべて補正できる」と考えず、何の違いを取り除く比較かを明示します。

滴下量の途中経過も役立ちます。初めから大量に加えて十分泡立った結果だけでは、何滴が共通の泡立ち分で、何滴が反応に使われたかを読み取れません。一滴ずつ変化を記録する設定には、到達した境目を探す意味があります。境目を超えた後に入れた分まで必要量へ含めないようにします。

石けんの濃さを半分にしたら滴数が単純に倍になるかという問いには、反応量の比例だけでなく、泡の判定条件も同じかを確認します。実験の判定が複雑なら、比例は模型として指定される必要があります。反応量の計算がきれいでも、見た目の泡が理想通り応答するとは限らないことを残しておきましょう。