固体のヨウ素から紫色の気体が出る様子を見ると、「燃えて煙になった」と説明したくなるかもしれません。しかし、固体が直接気体になる昇華は、物質の状態が変わる現象です。ヨウ素が別の物質に変わったという意味ではありません。色のある気体も存在することと、物質の名前と状態の名前を分けることが、この題材の出発点です。
薬品のヨウ素と、でんぷんを調べるためのヨウ素液は区別してください。ヨウ素液は複数の成分を含む溶液です。本稿は学校や大学の資料にある固体のヨウ素の状態変化を扱い、家庭で薬品を加熱する方法は案内しません。吸い込んだり直接触れたりして調べる題材でもありません。
中学入試に向けて、昇華の名称だけで終わらず、物質がどこへ移り、容器内の質量がどうなるかを資料から読み取ります。
紫色だから煙、とはいえない
煙や霧は、空気中に小さな固体や液滴が分散している場合に使われる言葉です。一方、ヨウ素の蒸気は気体のヨウ素です。気体はすべて無色だと思っていると、紫の部分を細かい固体の粒と取り違えてしまいます。見えるかどうかと、固体・液体・気体の区別は同じではありません。
ただし、写真の色だけで物質名まで特定できるわけではありません。教材の写真に「ヨウ素の蒸気」と説明があるから、その実験ではヨウ素として読めます。知らない場所で紫色のものが見えたとき、同じ物質だと決めるのとは別の話です。観察した色と、実験の条件から分かる名前を分けて記録します。
図の左は固体、中央は気体、右は再び付着した固体です。矢印は物質の移動と状態変化を表し、化学反応で新しい種類の粒が生まれる図ではありません。気体が冷たい面へ移り、固体として現れる変化もあります。固体から気体への変化を昇華、逆向きの気体から固体への変化を凝華と呼び、教材によっては両方向を昇華として説明することがあります。
「昇華する」は「液体になれない」ではない
ここで一つ、覚え方を修正しておきたいところがあります。ヨウ素が昇華するからといって、どんな条件でも液体にならないわけではありません。ヨウ素には液体の状態もあります。加熱の仕方や温度などによって、液体を観察できることも確認されています。
したがって、図で固体から気体へ矢印が一本引かれていても、それは今回注目する経路を示したものです。物質が通れるすべての経路を禁止した図ではありません。「この観察では液体を経由しない変化が扱われている」と「ヨウ素には液体が存在しない」は、強さの違う主張です。後者まで広げないようにします。
例題1 底の固体が減ったら、全体も減る？
外へ物質が出入りしない模型容器に、ヨウ素を1.20g入れました。状態変化の後、底の固体が0.35g、上部の面に付いた固体が0.80gありました。残りはすべて気体のヨウ素で、ほかの部分への付着や化学反応はないとします。気体のヨウ素は何gですか。
答え・解説：1.20－0.35－0.80＝0.05gです。底だけを見ると0.85g減っていますが、その全部が気体として残っているのではありません。0.80gは上部へ移って固体になっています。「元の場所からなくなった量」と「いま気体になっている量」を区別して計算します。
容器の図を三つの場所に分けて質量を書けば、行き先が見えます。底、上部、空間の三欄の合計が最初の1.20gになるか確認してください。この確認は、色が濃い部分ほど重い、といった見た目の推測を使わずにできます。濃さの比較には、容器の厚みや照明など別の条件も必要です。
例題2 観察からどこまで言える？
ある記録に「固体のある場所から紫色が広がり、冷たい面に固体が付いた。容器全体の質量は測定の誤差の範囲で変わらなかった」とあります。①ヨウ素が容器内で移動した、②固体がすべて消滅した、③ヨウ素はどんな温度でも液体にならない、のうち、この記録と整合する説明を選んでください。
答え・解説：①です。別の面にヨウ素が現れたことから、場所を移ったと考えられます。②は、移った先に固体が付いたという記録と合いません。③は一つの観察条件を、あらゆる温度へ広げています。この実験で液体が記録されなかったとしても、存在しないことの証明にはなりません。
なお、質量が変わらなかったという事実だけで「化学変化ではない」と断定するのも不十分です。外部との出入りがなければ、化学反応でも全体の質量は保たれます。今回は材料と付着物の情報を合わせて、状態変化として説明しています。一つの手がかりに、必要以上の役割を持たせないことが大切です。
名前を二段にして書いてみる
「固体のヨウ素」「気体のヨウ素」と書くと、変わったのは前半、保たれたのは後半だと見えます。氷と水蒸気も、状態の呼び名は違っても同じ水という物質です。一方、鉄と硫黄から硫化鉄ができる場合は、状態だけを言い換えた説明ではありません。
図の矢印に言葉を付けるときは、溶ける、消える、燃えるを曖昧に使わず、固体から気体へ、気体から固体へとまず書いてください。変化前後の状態が定まってから用語を付ければ、印象的な紫色に引っ張られず、現象の中身を説明できます。
関連する記事でつなぐ
温めるとヨウ素デンプン反応の色が消える？｜冷やした後まで比べる理由