二つの液を混ぜてしばらく待つと、急に青黒い色が現れる実験があります。ヨウ素時計反応と呼ばれる実験です。色が付くまで何も起こらず、その瞬間に反応が始まったのでしょうか。見た目に変化が乏しい間にも、ヨウ素を生む反応と、それを消費する反応が進んでいる場合があります。この記事では、調合方法を覚えるのでなく、発色までの待ち時間を物質の量と速さから読みます。
生まれるヨウ素がすぐ使われる間
でんぷんがある液で、発色に関わるヨウ素が残るようになると、青黒い色が現れます。時計反応の一つの方式では、ヨウ素を消費する成分が初めに用意されています。その成分が十分残る間は、生成したヨウ素がすぐに消費され、目立った発色が起こりません。やがて消費する側の余力がなくなると、ヨウ素が残り始めて色が変わります。
「無色だからヨウ素が一度も生まれていない」という読み方は、この仕組みでは適切ではありません。作られては使われるため、見える量がたまっていないのです。水槽へ水を入れながら同じだけ排水すれば水位が増えない、という収支の模型に似ています。ただし、ここで物質は化学反応に関わっており、単に別の容器へ水を移す操作と全く同じではありません。
例題1 色が付くまでの時間
簡単な模型で、発色に関わるヨウ素が毎秒2単位ずつ作られるとします。ヨウ素をすぐ消費する成分の初めの能力は、ヨウ素60単位分です。この能力を使い切ると直ちに発色するものとし、その間の生成速度は一定です。変色まで何秒かかりますか。15秒後には、消費できる能力がどれだけ残っていますか。
答え・解説： 待ち時間は60÷2＝30秒です。15秒間に作られて消費される量は2×15＝30単位なので、残る能力は60−30＝30単位分です。15秒後に目立った色がなくても、反応量がゼロなのではありません。作られた量と消費された量が対応しているため、発色する分がたまっていないと説明できます。
「単位」はこの例題で定めた共通の物質量の目盛です。異なる薬品の重さが一対一で等しいという意味ではありません。実際の量を重さで扱うなら、反応する割合を問題で与える必要があります。見慣れない化学式を暗記していなくても、ヨウ素何単位分を受け止められるかが分かれば、この模型の時間は求められます。
例題2 速さと余力を同時に変える
例題1とは別の模型で、ヨウ素の生成速度を毎秒4単位、初めの消費能力を90単位分にしました。変色まで何秒ですか。例題1の30秒と比べて何倍ですか。今回も指定された速度は一定で、消費能力を使い切った時点を変色時刻とします。
答え・解説： 90÷4＝22.5秒です。30秒に対する比は22.5÷30＝0.75倍です。生成速度だけを見れば2倍なので時間は半分になりそうですが、消費能力も60から90へ1.5倍になっています。時間の比は1.5÷2＝0.75です。一つの条件だけを変えた計算で終わらないようにします。
待ち時間が短くなった理由を説明するときも、速さの増加と余力の増加が反対向きに働いたと述べられます。余力を多くすれば長く待てる一方、生成速度を速めれば早く使い切ります。装置の名前ではなく、この二つの数量の関係が時間を決めています。
混ぜた瞬間をそろえて測る
時計反応を比較するなら、ストップウォッチをいつ動かし始めたかをそろえます。混ぜ始めから計った実験と、混ぜ終わってから計った実験では、同じ30秒の意味が違います。液を注ぐ時間が長いと、場所によって反応が始まる時刻もずれる可能性があります。測定の開始を明確にし、同じ混ぜ方で比較することが必要です。
終わりの判定も、最初に一部が青くなった時刻か、全体が同じ色になった時刻かを決めます。人によって判断が違えば、数秒の差を薬品の性質の差と誤認することがあります。色が急に現れる実験でも、時間の測定が自動的に正確になるわけではありません。
温度の影響を一つの係数で決めない
温度を変えると、関係する反応の速さが変化します。ただし、温度を二倍にすれば速度も二倍という単純な比例は使えません。摂氏の数字の比を、そのまま反応速度の比へ移さないようにします。温度別の変色時間の表があるなら、まず実測の値を読み、その範囲での傾向を説明します。
同じ消費能力で、一定速度模型が成り立つ比較なら、待ち時間の逆比から生成速度の比を考えられます。しかし消費能力や液量も違っていれば、時間だけで速さを比べられません。温度、液の量、初めに入っている成分、混ぜ方を表にし、何を変えたのかを確かめます。
変色後にも反応は続きうる
色が付いた瞬間は、実験で決めた観察上の区切りです。全物質の反応が同時に終わったことを意味するとは限りません。発色を遅らせていた成分を使い切ったことと、ヨウ素を生む側の材料が尽きたことは別です。生成側が残っていれば、その後も状態が変わる場合があります。
また、熱でヨウ素でんぷん反応の色が見えにくくなる実験とは、無色になる理由が違います。同じ無色という観察でも、温度で見え方が変わったのか、ヨウ素が反応で消費されたのかは、実験の条件に戻って区別します。色だけから物質が存在しないと断定しない点は共通ですが、しくみを混ぜないことが大切です。
家庭の時計のように精度を約束しない
名前に時計とあっても、実物が常に同じ秒数で変化する保証ではありません。ここで示した数値は学習用に一定速度を指定したものです。薬品の濃度や保存、温度などで実験結果は変わります。薬品を家庭で混ぜる手順は扱わず、授業では指導者が選んだ安全な条件に従います。
答案では、変色前の図にも反応の矢印を残しましょう。「色がない間は何も起きない」ではなく、「生成した分が消費され、発色に関わる分が残らない」と書けば、待ち時間の意味が伝わります。能力を速さで割る計算と、見た目だけでは分からない物質の動きを、一緒に練習できる題材です。
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