中学受験理科｜塩化銀が光で黒くなる理由｜光と温度を分ける比較

黒くなった原因は、光か熱か

白い塩化銀に光が当たると、灰色から黒っぽい色へ変化することがあります。光によって塩化銀の一部が分解し、細かな銀ができるためです。同じ銀という名前が付いていても、銀の板のように明るく光って見えるとは限りません。細かい粒になった物質の見え方と、大きなかたまりの見え方を同じにしないことが大切です。中学入試では、光を当てた部分と隠した部分の比較から、変化の原因を考えられます。

日なたに置いた試料が黒くなった、という観察だけなら、光だけでなく温度も変わっている可能性があります。日なたは明るいから光のせい、と結論を急がず、何をそろえた実験なのかを読みます。光を遮る紙を置いたときにも、その紙が試料の温度や乾き方を変えていないかという条件があります。題材の珍しさより、対照実験の組み方が得点につながる問題です。

光が届く場所と、遮った場所を比較。数値がある図は本文の例題用模型です。

光で起こる分解と加熱による分解

酸化銀の加熱実験と、塩化銀の感光性を扱う実験は別の反応です。どちらにも銀が関わるからといって、出てくる気体まで同じとは限りません。塩化銀では酸素を含む物質名ではなく、塩素と銀に関係する物質名が示されています。「銀の化合物なら加熱すると酸素が出る」という覚え方をしていると、資料の情報を上書きしてしまいます。

ここでは反応の手順を家庭で再現することは扱いません。銀の試薬の扱いや生成物、廃液処理には管理が必要です。入試用の図では、用意された試料に対して照射条件を変えたとき、どの領域の色が変わるかを読むことに集中します。自然科学の性質を説明することと、実験を自分で行う手順を示すことは分けています。

色の濃さをそのまま反応量にしない

黒っぽい領域が二倍に広がったとき、試料全体で反応した塩化銀の質量も二倍とは限りません。一つの領域の中でも反応の進み方に差があり、厚さや光の強さが違えば結果が変わります。写真で色が濃く見えたことを、銀が何gできたという数値へ直すには、別の測定や校正が必要です。面積を問う問題と物質量を問う問題を区別します。

同様に、光を当てる時間を二倍にすれば変色が必ず二倍になるとは言えません。表に一定の関係が示されている範囲なら使えますが、未反応の物質が少なくなったり、光の届き方が変わったりすれば、単純な比例は続かないことがあります。「変色したかどうか」という判定と、「どれだけ分解したか」という量の評価は、必要な情報が違います。

例題1｜遮光部分の面積

縦6cm、横8cmの長方形の試料面を考えます。その中央に縦6cm、横2cmの不透明な帯を重ね、残りの部分だけに光を当てました。光が届いた部分だけが変色したとすると、変色した面積は何平方cmですか。

答え・解説：36平方cmです。全体は6×8＝48平方cm、隠した部分は6×2＝12平方cmなので、48－12＝36です。全体に対する割合は36÷48＝4分の3です。この計算で求めたのは変色領域の広さです。できた銀の質量が全体の4分の3だとは言っていません。厚さや反応の進行度を示す資料がないため、そこまでの換算はできません。

例題2｜温度の影響を分ける

同じ試料を、Aは明るい場所で20℃、Bは暗い場所で20℃、Cは暗い場所で40℃に保ちました。同じ時間後、Aだけが黒くなり、BとCには目立つ変色がありませんでした。光の有無の比較にはどの二つを使いますか。またCの結果から言えることを述べます。

答え・解説：AとBを比べます。温度と試料をそろえ、光の有無だけを変えているからです。Cからは、この暗所・40℃・観察時間という条件では目立つ変色を確認できなかったと言えます。どんな温度でも熱は一切影響しない、とまでは言えません。AとCでは光と温度の両方が変わっているので、その二つだけから光の影響を独立に判断することもできません。

白いままの領域にも意味がある

変色した場所だけに目を向けると、隠した場所の役割を見落とします。同じ一枚の試料の中で遮光部を残すと、光の届いた範囲と色の変化を位置で照合できます。ただし試料の厚さが均一であるなど、比較に必要な前提は残ります。答案では「Aだけ黒くなった」と観察を書き、「光が届く条件で変化が起きた」と判断を続けます。色の名前、化学物質の名前、反応の量を分けると、感光材料を初めて見ても整理して読めます。

模様が残る資料を読む

細い線のある遮光板を重ねた場合、光の通ったすき間と隠れた線の位置が、変色の模様に対応します。ここで、黒い線が描かれたから遮光板のインクが移ったと考える前に、板を外した後も同じ配置で変色が残るという条件を確認します。物質を塗り付けた記録と、照射の履歴が残った記録を区別します。影ができることと、試料が変化して模様を残すことも別の段階です。

照明を消した直後に模様が見えなくなるなら、単に光と影を見ていた可能性があります。一方、均一な照明の下へ移しても色の違いが残るなら、材料側に変化が起きたことを考えられます。この比較では、観察時の照明をそろえることがポイントです。写真を撮るときの露出が違えば、試料が同じでも暗さが変わって見えるため、画像の明るさだけで反応を定量しません。

一枚の試料で半分を隠す方法は、別々の試料を使う場合に比べ、材料の違いを小さくしやすい工夫です。それでも表面の厚さが偏っていれば条件差は残ります。対照を設けたから全ての誤差が消えるのではなく、どの差を減らせたかを具体的に説明しましょう。