雨にぬれた鉄がさびたから、さびの原因は水だけ。こう答えると、実験で確かめた範囲を越えてしまいます。ぬれた鉄の周囲には空気もありますし、水の中にも気体が溶けています。目に見えた条件が水だけでも、実際に関わった条件が水だけとは限りません。
ここでは、ふだんの温度で鉄に赤さびができる場面を扱います。水と酸素が関わるさび方を、条件を分けた模型実験から考えます。鉄を高温で燃やす場面や、特殊な薬品の中での変化まで、同じ表で一度に説明する問題ではありません。
「空気に触れる」と「酸素がある」は同じではない
鉄が水に沈んでいると、空気に直接触れていないように見えます。しかし、水に酸素が溶けていれば、その酸素が反応に関わります。「水中だから酸素なし」と決めるのは、透明な水には何も入っていないと考えるのと似ています。
実験で酸素の有無を比べるには、酸素を減らした水を用意するだけでなく、その後に空気中の酸素が再び入ることも抑える必要があります。本稿の例題は、そうした条件が保たれているものとした比較表です。家庭で装置を再現する手順ではなく、与えられた条件と観察結果の読み方を練習します。
比べる二本を、一組ずつ選ぶ
Aは水も酸素もある、Bは水がなく酸素はある、Cは水があり酸素がほとんどない、とします。AとBなら、水の条件だけが違います。AとCなら、酸素の条件だけが違います。同じ鉄、同じ温度、同じ観察時間などをそろえれば、それぞれの条件が関わるかを考えられます。
BとCを比べると、水と酸素の両方が入れ替わります。どちらもさびが少なかったとしても、この二つだけから水の役割だけを取り出すことはできません。比較実験は、表を全部眺めて答えるより、注目する条件を一つ決め、対になる二本を指で結ぶと整理しやすくなります。
「見えなかった」は、観察した期間の結果
数日間観察して赤さびが見つからなかった場合、記録できるのは「その条件、その時間、その観察方法では、赤さびを確認できなかった」ということです。いつまでも絶対に変化しないと証明したわけではありません。実際の装置では、乾燥や脱酸素が完全かどうか、最初から付いていたさびがないかも問題になります。
学校の問題では、比較に必要な条件を整えた模型として扱うことが多くあります。答えるときは、その模型を尊重しつつ、観察の有無と一般化した説明を区別しましょう。さびの量を見た目で比べるなら、色の濃さだけで重さまで分かったことにしない点にも注意します。
例題1：水の役割を調べる組み合わせ
同じ鉄くぎを、A「水あり・酸素あり」、B「水なし・酸素あり」、C「水あり・酸素をほぼ除いた状態」に置きました。温度と期間などは同じです。Aには赤さびが見られ、BとCでは目立つ赤さびが見られませんでした。水の条件を比べる組み合わせと、酸素の条件を比べる組み合わせを答えてください。
答え・解説： 水はAとB、酸素はAとCです。調べたい条件だけが変わる組を選びます。Aだけに赤さびが見られた結果は、この模型の条件で水と酸素の両方が関わることを支えます。Cにも水はありますが、それだけではAと同じ結果になっていません。「水があれば必ず同じ速さでさびる」とは読めません。
例題2：塗装した鉄は、酸素を消した？
同じ場所に置いた二枚の鉄板のうち、一枚は表面を塗料で覆い、もう一枚は覆いませんでした。塗った方のさびが少なかったとします。「塗料が周囲の酸素をすべてなくしたから」と説明してよいですか。
答え・解説： よくありません。塗膜が鉄と水・酸素との接触を妨げることが、防食の基本的な考え方です。周囲の空気から酸素そのものを全部取り除いたわけではありません。また、塗膜に傷がつけば、そこから水や酸素が触れる可能性があります。この実験だけで、塗料が永久に保護するとも言えません。
質量を測るなら、何を回収したかも書く
さびた鉄の質量を考えるとき、鉄に酸素などが加わる変化と、さびがはがれて落ちることを混ぜないようにします。元の鉄板だけを量り、落ちたものを回収しなければ、反応した物質全体の質量を比べたことにはなりません。ぬれたままなら水の重さも含みます。
鉄が変化する別の場面としてスチールウールの燃焼と質量がありますが、赤さびと燃焼生成物を同じ物質として扱う必要はありません。共通するのは、外から加わるもの、測定から抜けるものを整理する姿勢です。実験の考察でも、まず比較の条件を明記してから結論を書きましょう。