黒いものを見て、炭素と決めない
お茶などにも含まれるタンニンに関係する成分は、鉄と反応して暗い色を生じることがあります。鉄とタンニン酸の反応では、青黒いタンニン酸鉄の層ができる例が知られています。ここで黒く見えることだけを根拠に、炭ができた、鉄が析出した、燃えた、と答えるのは早計です。色は観察結果の一つですが、物質を一つに決める十分な証拠とは限りません。
中学入試では、無色や淡色の液を混ぜると濃い色になるという題材が、対照実験の問題になります。二つの材料を混ぜたときだけ変化するのか、一方だけでも変化するのか。さらに空気に触れた時間や鉄の状態がそろっているか。まず実験の組合せを整理し、そこから説明できる原因を選びます。黒いという見た目を、既知の別の反応へ無理に結び付けないことが出発点です。
二つの材料を一つずつ外す
鉄を含む試料とタンニンを含む液を合わせたものをAとします。Aだけを観察しても、タンニンの必要性は分かりません。鉄を含む試料に水だけを加えたB、タンニンの液だけのCも用意すると、材料を外したときの結果を比べられます。液量や観察時間をそろえ、混ぜたものだけに現れる変化を探します。
ただし、Aだけが黒くなったとしても、どんな鉄の化合物でも必ず同じ反応になるという結論にはなりません。鉄の状態、液の性質、成分量などが違えば、反応や色は変わりえます。タンニンという呼び方に含まれる成分にも違いがあります。答案では「この試料とこの液を合わせた条件で」と範囲を限定すると、実験結果より広い断定を避けられます。
表面の処理と内部のさびは別
鉄製品の保存処理では、タンニン酸によってさびた表面を暗色の層に変える方法があります。しかし、表面が黒くなったから内部のさびがすべて取り除かれたとか、水や空気を完全に遮断できたとは言えません。できた層は完全な防水膜ではなく、保護の程度や処理条件を別に考える必要があります。色の変化と防食の効果を同じ測定として扱わないようにしましょう。
この区別は、模型の写真を読む問題にも使えます。黒い領域が広くなったことは、表面の変化の広がりを示します。一方、試料の厚さが減ったか、どれだけの鉄が反応したかを知るには、質量や断面など別の資料が必要です。表面積、反応量、見かけの色の濃さは、それぞれ違う量です。
例題1｜必要な対照を選ぶ
Aには鉄を含む試料とタンニンの液、Bには同じ鉄の試料と水、Cにはタンニンの液だけを入れました。液量と温度、放置時間は同じです。Aだけが青黒くなりました。AとBの比較では何を調べていますか。
答え・解説：タンニンの液を加えることの影響です。鉄の試料は両方にあり、加えた液がタンニンの液か水かという点が違います。AとCを比べれば鉄の試料を加える影響を考えられます。Aだけの観察では、どちらの材料がなくても変化するのか分かりません。二つの比較を合わせることで、今回の組合せが変色に関わることを、単独の材料の色と区別できます。
例題2｜変色面積から何が求まるか
縦5cm、横8cmの鉄板表面のうち、24平方cmが暗色に変わりました。変色した割合は何％ですか。また鉄板の質量の60％が別の物質になった、と言えますか。
答え・解説：面積の割合は60％ですが、質量の60％が変化したとは言えません。全表面は5×8＝40平方cmで、24÷40×100＝60％です。反応した層の厚さや内部の状態が分からないため、面積の割合を質量の割合へ置き換えられません。表面だけの非常に薄い変化でも、広い範囲が黒く見えることがあります。設問が面積を聞いているか、物質の質量を聞いているかを読み分けます。
証拠を一つ足すなら何を見るか
変色がどこまで進んだかを知りたいなら、同じ条件で時間を変えた写真や、断面の観察を追加できます。防食の効果を知りたいなら、処理した試料としない試料を同じ環境に置き、その後の変化を比べる必要があります。目的が変われば、必要な対照も変わります。「黒くなった」という短い記録を、何の証拠として使えるかまで考えると、色の暗記から実験の読み取りへ進めます。材料名を知っていることより、観察と結論の間を飛ばさないことが大切です。
鉄があることと、黒色の粒が鉄であること
鉄を材料として使った反応だから、できた黒い物質も金属鉄だと答えるのは誤りです。反応前の物質と反応後の物質は別に調べます。磁石に近づけた結果や、液から取り出した残りの性質が与えられれば、色に加えた証拠として使えます。ただし磁石に付かなかったという結果だけから、一つの特定の化合物名まで決めることもできません。検査で除けた候補と、残った候補を区別します。
鉄片を入れた液と、鉄を含む成分が溶けた液では、反応の起こる場所が違うこともあります。前者の図で表面に層ができているのか、後者の図で液全体が着色しているのかを見ます。黒い部分が沈んでいるなら、液の色と固体の粒の色も分けて観察します。「液が黒い」という記録だけでは、溶けているのか細粒が分散しているのかまでは分かりません。
時間を長くしたときの色の変化を調べるなら、全ての容器を同じ時刻に撮影する工夫が使えます。一つずつ調製してすぐ撮影した写真を並べると、材料を入れてからの経過時間が異なる場合があります。色の濃さの差を成分量の違いに結び付ける前に、時計の条件もそろえましょう。