中学受験理科｜砂糖の分解で重さが増える？｜転化糖と反応に使われる水

分解でも、水を受け取ることがある

砂糖の主成分であるショ糖は、条件がそろうと水と反応し、ブドウ糖と果糖に分かれます。このように水が関わって分かれる変化を加水分解と呼びます。転化糖は、その結果できた糖を含むものです。難しい名前を覚える前に、分かれた糖の質量には、もとのショ糖だけでなく反応した水の分も含まれると考えてください。固体の成分だけを比べて「質量が増えておかしい」とする必要はありません。

ここで水は単に周りにあるだけの溶媒ではなく、一部が反応に使われます。もちろん、溶液全体が外と物質をやり取りしなければ、全体の質量は保存されます。糖だけの質量と、糖を含む溶液全体の質量は別の量です。この二つを区別すれば、分解してできた物質の合計が、反応前の糖より重くなる理由を説明できます。

水が生成物へ移る。数値のある図は本文の例題模型です。

関係式は問題文で受け取る

小学生向けの資料問題では、化学式の原子量計算を前提にしなくても解けます。例えば「ショ糖19gが水1gと反応し、二種類の糖が合計20gできる」と関係を与えれば、比例と差し引きで考えられます。以下ではこの比を用います。反応した水が消失したのではなく、生成物の成分へ組み込まれたという見方が必要です。

酸や酵素によって反応が進みやすくなる場合がありますが、加えた液の重さをすべて糖になったと置いてはいけません。操作で足した水と、実際に反応に使われた水の量は違います。計算用に水を十分用意したという条件なら、反応するショ糖の量に合わせて必要な水を求め、残りは溶液中の水として数えます。

例題1｜生成物の合計を求める

ショ糖38gに水を十分加え、全部を反応させました。「ショ糖19gと水1gから、二種類の糖が合計20gできる」という関係を使うと、水は何g使われ、生成した糖は合計何gですか。

答え・解説：38gは19gの2倍なので、水は2g使われ、糖は40gできます。38gから40gへ増えた2gは、反応へ加わった水の分です。二種類へ分かれたからそれぞれ38gずつになるわけではありません。成分の数と質量の倍数を混同せず、関係を一本の式で表すと、38＋2＝40と保存が確認できます。

例題2｜未反応の糖と水も残す

初めにショ糖38gと水62gがありました。ショ糖の半分だけが反応したとします。未反応のショ糖、生成した糖、反応せず残った水は、それぞれ何gですか。また全体の質量は何gですか。

答え・解説：反応したショ糖は19gなので、残ったショ糖は19gです。水1gが使われて新しい糖20gができ、水は61g残ります。合計は19＋20＋61＝100gで、初めの38＋62＝100gと一致します。水を62gのままにして101gとすると、生成物へ移った1gを二重に数えたことになります。各物質の増減を表にすると、この誤りを避けられます。

甘さだけで反応の進みを決めない

糖の種類が変われば甘さの感じ方も変わり得ますが、味見で何％反応したかを正確に決めることはできません。温度や濃度、ほかの成分にも左右されます。実験の資料では、反応した割合を測定した表や、成分量を示す値を使います。「甘くなった」という感覚と、質量の増減を直接結び付けないようにしましょう。

また、水が蒸発する開いた容器なら、全体の質量の比較には蒸発分も入ります。反応だけの影響を知りたいのに加熱後の質量が減っていれば、水の散逸を調べる必要があります。全体を閉じた場合、糖だけを取り出した場合、蒸発する場合を別々に図示すると、同じ加水分解でも見かけの数字が変わる理由が分かります。式の数字を合わせる前に、何を囲んで測ったのかをはっきりさせることが、化学の計算の土台です。

溶けた成分全体の割合はどう変わるか

例題2では、反応前に溶けたショ糖が38g、全体が100gなので、糖の質量割合は38％でした。半分が反応した後には、未反応のショ糖19gと新しい糖20gを合わせて39gになります。全体100gのままなら、糖に相当する成分の合計は39％です。水1gが糖の成分側へ移るという分類で計算したためで、外から糖を追加したわけではありません。質量が保存されることと、各成分の割合が保存されることを混同しないようにします。

初めの水62gをすべて「溶媒」と呼んだ後で、反応した1gも同じ欄に残したままにすると二重計上になります。反応前後で成分の所属が変わる問題では、同じ名前の欄を機械的に保持するのでなく、変化後の物質に合わせて表を作り直します。これは単なる希釈とは違います。水を加えて薄めるだけなら糖の質量は一定ですが、加水分解ではどの物質を糖として数えるかも反応に沿って追う必要があります。

反応の進みを図にするときは、横軸を経過時間にするのか、反応したショ糖の量にするのかも明示します。ショ糖が時間に対して一定の速さで減るとは、この記事の質量比だけからは分かりません。質量比は、反応した量と生成した量の対応を示すもので、どれくらいの時間で終わるかを決める規則ではありません。「二倍の糖を反応させるから時間も二倍」と答えるには、速さについて別の条件が必要です。

また、酸を加えてもすぐには見た目の変化がはっきりしないことがあります。泡や沈殿がないことは、物質の変化が一切ない証拠にはなりません。資料で成分分析や反応後の性質の違いを示しているなら、その証拠を用います。目に見える変化だけを化学反応の条件だと思わず、質量の行き先と物質の種類を合わせて読むことがこの題材の学びです。