鉄を利用する脱酸素剤は、酸素を取り込む反応によって袋の中の酸素を減らします。空気を全部なくすものではありません。酸素以外の気体が残りますし、製品に吸収できる量の限度があれば、酸素自体も残る場合があります。
お菓子の小袋で見慣れたものでも、乾燥剤とは目的が違います。水を除く量と酸素を除く量を混ぜず、気体の体積の表を作ることが計算の入口です。小袋は開けず、本稿では説明用の仮想容器を考えます。
減った体積は、何の体積か
温度と圧力をそろえて比べられる、自由に体積が変わる容器を想定します。酸素だけが取り込まれ、ほかの気体の発生・吸収や漏れがない模型です。空気の体積は、取り込まれた酸素の体積だけ減ります。
硬い密閉容器では、体積が自由には変わらず、圧力の変化として現れます。硬い瓶の目盛りの体積が減ったと考えるのは誤りです。例題の「温度・圧力が同じ」という条件は、体積の引き算で成分を比較できるようにするために置いています。
鉄系の製品では鉄と酸素の化学反応を利用しますが、全ての脱酸素剤が同じ成分とは限りません。実製品の性能を計算するときには、製品の仕様と使用条件を確かめる必要があります。以下の容量は問題用の数値であり、家庭の小袋の能力を表す値ではありません。
酸素の割合の分母が縮む
最初の空気100mLに酸素が20mL含まれ、10mL吸収したとします。残る酸素は10mLですが、残る気体の全体も90mLに減ります。酸素の割合は10÷90で求め、最初の100で割りません。
反応前後で、酸素の残りの量と、酸素の残りの割合を別に書きます。最初にあった酸素の何％を取り除けたかという問いなら、分母は最初の酸素20mLです。残った混合気体の何％が酸素かなら、分母は残る全気体90mLです。同じ数字を使っても、聞かれた割合が違います。
窒素などの体積を一定とした列もあると便利です。全体から酸素を引いた残りは、模型の中で変わりません。酸素量を計算し直した後に、各成分を足して全体と一致するか確認できます。
例題1：吸収容量が足りない場合
空気250mLのうち、酸素を体積の20％とします。脱酸素剤が吸える酸素は最大30mLです。十分に待った後、残る気体の全体と、残る酸素の割合を求めてください。
答え・解説： 初めの酸素は50mL、ほかは200mLです。酸素を30mL吸うと酸素20mLとほか200mLが残り、全体220mLです。酸素の割合は20÷220×100＝約9.1％です。20÷250＝8％は、最初の空気を分母にした別の値です。
例題2：もう一つ加えたら
例題1の続きで、酸素を最大40mL吸収できる新しい小袋を加えます。この模型では最終的に酸素を取り切れるとします。気体はさらに何mL減り、新しい小袋の容量は何mL分残りますか。
答え・解説： 残る酸素は20mLなので、減る体積も20mLです。新しい小袋は40mL吸えるとしても、そこにない酸素までは吸えません。容量は40−20＝20mL分残り、最終的な気体は酸素以外の200mLです。
小袋の重さも含めて考える
気体から酸素が減っても、酸素という物質が消えたわけではありません。反応した酸素は小袋側に取り込まれています。容器、小袋、残った気体をまとめて測り、外との物質の出入りがなければ全体の質量は保たれます。体積が減ることと、全体の質量が減ることは同義ではありません。
吸収にかかる時間も容量とは別です。最大30mLという記載だけでは、何分で30mLに達するかは分かりません。温度や湿度が反応速度に影響するため、短い観察で減らなかったから、容量がゼロだとは断定できません。
気体の計算では、最初、吸収した分、残った分の三行を作ると整理できます。「全部」「最大」「十分に待つ」のような条件語を先に囲み、酸素の量と容器の扱いを決めてから式を立てましょう。
袋が縮む理由を、なくなった成分から説明する
柔らかい袋の中で酸素が固体の反応生成物に取り込まれると、気体として残る量が減ります。袋の内外の圧力がほぼ等しく保たれ、温度も同じなら、袋はその分だけ小さくなります。「空気が全部吸い込まれた」ではなく、「空気のうち酸素が気体から取り除かれた」と説明するのが正確です。窒素などが残っているため、酸素をすべて除いても袋の体積はゼロにはなりません。
残った酸素の割合を求める分母は、処理前の空気250mLではありません。今回なら酸素30mL相当が除かれた後の220mLです。20を250で割った8％は、最初の体積を基準にした割合であり、袋の中で今どれだけの割合を酸素が占めるかとは違います。気体の一部を取り除いた問題では、残量を表にした後で、その行の合計を分母に選ぶと混乱を防げます。
脱酸素剤を交換した後、二個目が持つ能力を全部使い切るとは限りません。袋に残る酸素が能力より少なければ、反応に使える酸素の方が先になくなります。反対に外から空気が入る袋なら、新たな酸素が追加されるため、最初の250mLだけの計算では済みません。例題で袋が閉じていることは、単なる場面描写ではなく、物質の収支を決める条件です。食品保存の実物は反応条件や袋の性質も製品ごとに異なるため、模型の数値から保存期限を判断することはできません。
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