白い固まりは、何からできたか
牛乳に酸を加えると、条件によって白い固まりができます。主にカゼインというタンパク質が集まる現象です。牛乳に新しい白い粉を足したわけではなく、もともと含まれる成分が分かれて見えるようになっています。ただし、取り出した湿った固まりの重さを、すべて純粋なカゼインの重さだと考えてはいけません。水分なども一緒に含まれるからです。
牛乳は見た目が白く均一でも、水だけに一種類の物質が溶けた単純な液体ではありません。脂肪やタンパク質、乳糖などを含む複雑な混合物です。酸を加えたときの固まり方は、酸の量だけでなく、牛乳の種類や温度にも左右されます。食べ物を題材にする問題では、日常の「牛乳」という呼び名を、一定の成分量を保証する条件と取り違えないようにします。
ろ過で分ける前と後をつなぐ
固まりをろ紙などで受ければ、通り抜けた液と残ったものに分けられます。しかしろ過は、もとの成分が一切変わらず二等分される操作ではありません。固まりの間に液が残り、容器やろ紙へ付着する分もあります。計算では、どこまで回収した重さなのか、ろ紙の重さを引いたのかを確認します。操作名を覚えるだけでなく、物質の行き先を書き込むことが大事です。
酸を加える前後の全体を閉じた系として比べれば、外へ出入りがない限り質量は保存されます。一方、固まりだけを取り出して測るなら、液へ残った成分や失った水は測定範囲の外です。「固まりが軽いから反応で質量が消えた」という説明は、測る範囲を途中で変えています。物質の変化と、測定対象の変更を分けてください。
例題1｜湿った固まりを比較する
同じ量の牛乳から得た固まりAは12g、Bは10gでした。十分乾燥させると、どちらも4gになりました。湿った状態のAが重かった理由として、水分が多いという説明はこの結果と合いますか。カゼインの回収量がAの方が多いと断定できますか。
答え・解説：水分が多いという説明と合います。減った量はAが8g、Bが6gで、Aは2g多く水分などを失っています。乾燥で失ったものを水だけとする模型なら、その差が水分差です。乾燥後は両方4gなので、湿った重さだけからAのカゼインが多いとは断定できません。乾燥したものも純粋なカゼインと限らないため、成分の純度まで決めるには別の測定が必要です。
例題2｜回収率をそろえて読む
ある試料に回収対象の成分が5.0g含まれていました。処理によってその80％を回収し、得られた乾燥試料のうち回収対象以外の成分は1.0gでした。乾燥試料の合計は何gですか。また、試料の合計を回収率の分子にしてよいですか。
答え・解説：対象成分は5.0×0.8＝4.0g、ほかの成分1.0gを足して合計5.0gです。合計を分子にすると5.0÷5.0で100％になり、対象成分を全部回収したかのように見えてしまいます。回収率では、初めと後で同じ成分だけを比べます。数字が同じ5.0gでも、それぞれが表している物質の範囲は違います。
固まるという言葉を分ける
水が凍る、ろうが冷えて固まる、牛乳の成分が酸で集まる、という現象を同じ理由で説明することはできません。冷やしたのか、酸を加えたのか、時間を置いたのかを操作欄へ書くと区別できます。酸を足した群だけでなく、同量の水を足した群も比べれば、単に液を加えた影響を分ける助けになります。
実験写真を読むときは、上澄みの透明さだけで成分が全部なくなったとも判断しません。目で見える粒が減っても、溶けた物質は残り得ます。この記事は資料問題として考えるための説明で、家庭で薬品を調合する手順ではありません。測定された固まりに何が含まれ、何を差し引いた値なのかを一つずつ確かめることが、化学の質量計算を正確にします。
ろ紙の重さを引く順序を考える
ろ紙だけの乾燥質量が2gで、固まりを載せて乾かした後に6gだったとします。固まりの乾燥質量は4gです。湿った状態の「ろ紙と固まり」を12gと測っていた場合、12−6＝6gは乾燥で減った量ですが、12gそのものが湿った固まりの質量ではありません。ろ紙の分が含まれているためです。実験の質量表には、試料だけ、容器込み、ろ紙込みなど測定対象のラベルを付けます。
ろ紙も湿って水を含んでいたなら、減った6gにはろ紙が保持した水の分も入る可能性があります。だから固まりに含まれた水分を厳密に求めるには、ろ紙側の影響を補正するなど、さらに情報が必要です。小学生の設問で「ろ紙に残る水は無視できる」とあれば、その簡略化を用います。条件を無視して難しくする必要はありませんが、どこを簡単にした模型かを理解することで、別の資料にも対応できます。
牛乳の量を二倍にしても、酸の量を同じにしたままなら、固まりの回収量も必ず二倍になるとは限りません。成分を集める条件が十分かどうかに加え、混ざり方やろ過で失う割合も変わり得ます。比例のグラフを描くには、酸が十分あり、回収割合が一定などの前提が要ります。量を増やす実験では、何を一定にして何を比例させるかを区別してください。
さらに、牛乳の白さが薄くなっても、水以外の物質がなくなったとは言えません。ろ液に乳糖などが残ることと、固まりにカゼインが集まることは両立します。「固体と液体に分かれた」と言うとき、液体側が純水になったと想像しないことが大事です。溶液、分散した粒、集まった固まりという状態を、試料の成分名と交差させて考えると、身近な食品の変化を理科の言葉で説明できます。