食塩水から食塩を取り出すなら、水を蒸発させます。
では、食塩ではなく、水を取り出したいときはどうするでしょう。
同じように加熱するだけでは、水は水蒸気になって逃げてしまいます。出てきた水蒸気を冷やし、水として集めるところまで考える必要があります。
今回は、「何を取り出したいのか」を決めてから、蒸留の図を読んでみましょう。
食塩が消えたわけではない
ここでは、水に食塩だけをとかした食塩水を考えます。
水が蒸発しても、とけていた食塩が水蒸気と一緒に蒸発するわけではありません。食塩は、もとの容器側に残ります。
まだ水が残っていれば、食塩はその水にとけていることがあります。白い粒が見えないからといって、食塩も出ていったと決めないでください。
「見えるかどうか」と「どちらの容器にあるか」は、別の話です。
水を集めるには、冷やすところがいる
蒸留では、液体を蒸発させ、その蒸気を冷やして液体として集めます。
食塩水の場合は、水が水蒸気になり、冷やされて再び水になります。
装置の図に細長い管や冷やす部分が出てきても、まずは水の移動をたどってください。
もとの容器の水 → 水蒸気 → 集める容器の水。
この途中で、食塩が水に変わったわけではありません。もともと食塩水に含まれていた水を、別の場所へ移して集めています。
ろ過と同じにしない
「食塩を取り除けば水になるのだから、ろ紙に通せばよい」と考える人もいるかもしれません。
でも、水にとけている食塩は、普通のろ紙では取り除けません。食塩がとけ残っている場合、ろ紙に残せるのは、そのとけ残りです。
ろ過は、液体と、とけずに混ざっている固体を分けるときに使います。
蒸留では、蒸発して移るものと、もとの容器に残るものを分けます。どちらも「分ける」方法ですが、利用している性質が違います。
図に、二つの問いを書き込む
食塩水の蒸留の図を見たら、次の二つを確かめましょう。
「もとの容器には何が残る？」
「冷やした先には何が集まる？」
食塩はもとの容器側に残り、冷やした先には水が集まります。
ただし、これを「どんな水溶液でも、蒸留すれば水だけが集まる」と広げてはいけません。アルコールのように、水と一緒に蒸発する物質を含む場合もあります。
最初に、何をとかした水溶液なのかを確認してください。
最後に、一問だけ
「食塩水から水を取り出す装置で、水蒸気を冷やす部分をなくしても、同じように水を集められる」
この説明は、どこが足りないでしょうか。
水蒸気を液体の水に戻して集める、という部分です。
水を蒸発させるだけなら、食塩を残すことはできます。でも、水を取り出すことが目的なら、逃げていく水蒸気の行き先まで考えます。
同じ食塩水でも、ほしいのが食塩なのか、水なのかで、必要な操作が変わるのです。
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参考資料
編集補足：蒸留の前後を、食塩と水の二列で追う
以下は食塩水の蒸留を扱う自作例題です。食塩が水蒸気と一緒に移らず、液滴の飛び散りや装置からの漏れもなく、蒸発した水をすべて回収できる理想的な条件を置きます。実際の装置では回収の途中で失われる分もあるため、まず問題の仮定を確認します。
加熱する容器だけを見ると、水は減ります。しかし集める容器では水が増えています。装置全体を見るか、一方の容器だけを見るかで記録が違います。減った数字をすべて「なくなった物質」と考えず、どこへ移ったかを追ってください。
例題1：取り出した水と、残った食塩水
食塩10gと水90gを混ぜた食塩水100gがあります。蒸留で水30gを集めました。食塩は全量がもとの容器に残り、まだすべて溶けています。もとの容器に残った水、食塩水全体の質量、食塩の濃度を求めてください。
水60g、食塩水70g、濃度は約14.3％です。 水は90−30＝60gです。そこへ食塩10gを合わせると70gで、濃度は10÷70×100です。濃度の分母を水60gだけにしないようにします。初めの10％より濃くなったことも確認できます。
集めた30gは食塩水ではなく、この条件では水です。もとの容器から「濃度10％の食塩水30g」を取り分けた場合とは違います。液体をそのまま移す操作と、水を気化させて移す操作では、移動する中身が異なります。
例題2：二つの容器を合わせると何g？
例題1の蒸留後、もとの容器には70g、集める容器には30gの液体があります。容器自体の質量を除き、両方を合計すると何gですか。「加熱したので水30gが消えた」とする説明は正しいですか。
合計100gで、水が消えたという説明は正しくありません。 70＋30＝100gです。食塩10gはもとの容器、水は60gと30gに分かれています。移った水を数えれば、初めの水90gも対応します。
実測で合計が100gより小さくなった場合、この理想条件と同じ計算がそのまま成り立ったとは言えません。回収しきれなかった水蒸気などを検討します。ただし、差だけを見て「食塩が分解した」と原因を決めることもできません。どこまで回収・測定した記録かを確かめます。
蒸留後の濃度に、集めた水を混ぜて計算しない
濃度を求める対象が「もとの容器に残った液体」なら、その容器の食塩と水だけを使います。回収した水30gは別の容器にあり、まだ混ぜ戻していません。装置全体の質量を確認した式を、そのまま残液の濃度の分母へ流用しないようにします。
問題文に「二つを混ぜた」とあれば、初めて混合後の量で計算します。量を合わせる前に、容器A、容器Bと名前を付けるだけでも、どの水がどこにあるのかがはっきりします。
途中で食塩が析出したら、液体だけを区別する
水をさらに減らして食塩が溶けきれなくなると、容器内には液体と結晶が共存します。この場合、容器にある食塩の全量を「溶けている食塩」として濃度計算へ入れることはできません。液体に溶けた分と、結晶として出た分を分けます。
この二例では「まだすべて溶けている」と条件を付けたので、10gをそのまま溶質の量として使えました。結晶が描かれた図へ進んだら、同じ式を使う前に溶けている範囲を見直してください。
液滴の飛び込みと、水蒸気の移動を混同しない
食塩水がはねて別の容器へ入れば、食塩も一緒に移り得ます。それは食塩が水と同じように気化したという証拠ではありません。きれいな水を得る説明には、飛び散った液滴が混ざらないという条件も含まれます。
装置図を読むときは、蒸気の道をなぞった後、残液と回収液の二つを指して説明します。加熱・移動・冷却の三段階を分けると、単なる蒸発やろ過との違いも明確になります。