粉の焼石膏へ水を加えると、やがて固まります。水分が抜けて元の粉がくっつくから、という説明で十分でしょうか。焼石膏は水と反応して二水石膏になり、結晶が成長して組み合わさります。硬化と乾燥は関わり合いますが、同じ現象ではありません。
水を加えたのに固まるのは不思議に見えます。ここでは、水が単に粉の隙間を満たしているだけなのか、それとも物質の構造の一部になるのかを分けます。見た目が乾いた後も結晶水として残る水があり、加えた水が全て蒸発するという計算にはできません。
焼石膏と、固まった石膏は同じ状態ではない
石膏を加熱すると結晶水の一部が失われ、焼石膏が得られます。焼石膏へ水を加えると水和が起こり、二水石膏へ戻る方向に変化します。用語を覚えるなら「加熱で水が離れる」「水を加えると取り込まれる」という二つの矢印を合わせて描いてみましょう。
硬化では新しい結晶の形成が関わります。水が全部なくなるまで固まれない、というわけではありません。固まった直後の内部には、反応に使われた水とは別に余分な水も残り、その水は後から乾燥によって減っていきます。手で触れて硬いことと、質量がもう減らなくなったことは別の判断です。
図は加えた水を、反応に組み込まれる分と、余分に残る分へ分けた模型です。二つの水が肉眼で別の色に見えるという意味ではありません。物質収支のために色を分けています。実際の製品には添加物がある場合もあり、模型の割合をそのまま作業用の配合に使わないでください。
質量が減った時点で、何が出たかを確かめる
容器を含めて量り続けたとき、質量の減少は何かが外へ出たことを示します。ただし、少し減ったことだけで結晶水が全て外れたとは言えません。普通の乾燥では、余分な水が抜ける過程と、結晶水を失う加熱の過程を分けて扱います。
水を多くすれば、練りやすさなどは変わりますが、完成物の強さや内部の空隙にも影響します。だから「水を二倍入れれば、固まる石膏も二倍できる」という比例は使えません。反応する粉の量を決め、その粉が取り込む水を計算する問題と、練るために加えた水の総量を比べる問題は別です。
硬化時間の比較にも注意します。容器の大きさ、粉と水の比率、温度、かき混ぜ方が違えば、時間の差を一つの原因へ結びつけにくくなります。さらに「固まった」を、流れなくなった時点と定義するのか、一定の強さになった時点とするのかで記録は変わります。測る基準を先にそろえる必要があります。
例題1：加えた水の全部が残る？
計算のための架空の粉を考えます。この粉100gは水18gを構造に取り込んで固まると指定されています。粉100gへ水50gを加え、反応が全て進んだ後、余分な水だけを完全に蒸発させました。残る固体の質量と、出ていった水の質量を求めてください。
答え・解説： 固体は100＋18＝118g、蒸発した水は50−18＝32gです。混ぜた直後の150gが全て残るわけでも、加えた水50gが全て抜けて100gになるわけでもありません。なお18gは本問の模型に指定した数値で、実物の製品の配合を示していません。
例題2：密閉して量ったら
前問と同じ粉100gと水50gを、外へ物質が出入りしない容器内で反応させました。容器の重さを除いた中身の合計は、硬くなった後に何gですか。気体や液体として容器内に残る水も全部含めて量ります。
答え・解説： 合計は150gです。水が構造に取り込まれたり、液体や気体として容器の中に移ったりしても、外へ出なければ合計質量は変わりません。硬くなったことだけを理由に、質量が増えた、あるいは水が消えて減ったとは判断しません。
石膏の例では、「乾く」と「固まる」を分けるだけで、物質の変化が見えてきます。観察記録には、触った硬さ、経過時間、量った質量を別々に書いてみましょう。硬化を確かめた観察が、そのまま水分の量を確かめた測定になるわけではありません。何を測って結論したのかを具体的にすることが、反応の問題を読む基本です。
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図や記録を読むときの確認
質量の実験では、容器の重さを引いた値なのか、容器ごとの値なのかもそろえます。混ぜる前だけ粉末を量り、固まった後は重い容器ごと量れば、反応によって物質が増えたように見えてしまいます。こぼれた粉や混ぜ棒に付いた石膏を測定範囲から外した場合も、減った分を全て蒸発した水とすることはできません。実験図には、量りに載せる範囲を囲んでおくとよいでしょう。さらに、一度固まった時刻と、余分な水が十分に抜けた時刻は別に記録します。触って硬くなったという観察だけでは、乾燥後の質量を測ったことにはなりません。