紙おむつなどに使われる吸水性の高い高分子は、水を含むとふくらんでゲルになります。さらさらの水が見えにくくなるため、水がなくなったように感じるかもしれません。しかし、水は物質の中に保たれているのであり、重さの計算から消してよいわけではありません。乾いた材料の重さ、吸い込んだ液の重さ、できたゲル全体の重さを分けることが、資料問題の第一歩です。
ゲル全体には材料の重さも入る
乾燥した材料を皿に載せて量り、水を加えたあとにもう一度量ります。このとき、皿の重さを引く処理が前後でそろっているかを確かめます。最初だけ皿を含み、最後だけ皿を除いた数字を引いても、吸収した水量にはなりません。余分な水を取り除く方法と待つ時間もそろえます。表面に付着した水をどこまで含めるかで、測定結果が変わるからです。
吸水量を「乾燥材料1gあたり何g」と表せば、使った材料の量が異なる実験も比較しやすくなります。ただし、分子は吸収した液の重さです。ゲル全体の重さをそのまま割ると、もともとの材料をもう一度数えてしまいます。「何倍になったか」と「何倍の水を吸ったか」は、似た表現でも一つ分だけ違います。
例題1 吸った水は何倍か
乾燥した吸水ポリマー2gに十分な水を加えました。余分な水を決められた方法で除くと、材料と保持された水の合計は202gでした。材料は失われず、測定中の蒸発は無視します。保持した水の重さと、乾燥材料1gあたりの吸水量を求めましょう。
答え・解説： 水は202−2＝200gです。材料1gあたりでは200÷2＝100gになります。202÷2＝101という値は、ゲル全体の重さが乾燥材料の何倍かを表します。吸った水が101倍という答えではありません。式の直前に「全体」「水だけ」と短く書くと、何を割ったのかがはっきりします。
材料を4gに増やせば、必ず400gの水を保てるのでしょうか。同じ条件で十分な水があり、1gあたりの吸水量が変わらないという模型なら、その比例計算が使えます。しかし水を100gしか用意しなければ、400gを吸うことはできません。材料の能力による上限と、与えた水量による上限のうち、小さい方が先に効きます。
例題2 塩水での結果を比べる
同じ乾燥材料2gを別に用意し、一定濃度の食塩水を十分に加えました。同じ時間と水切り方法で量ると、ゲル全体は62gでした。保持した液の重さは何gですか。例題1と比べて、乾燥材料1gあたりの保持量は何倍ですか。
答え・解説： 保持した液は62−2＝60gで、1gあたり60÷2＝30gです。水の場合の100gと比べると30÷100＝0.3倍です。これはこの材料、この濃度、この測り方で得られた比較であり、どんな吸水ポリマーでも必ず0.3倍になるという法則ではありません。
ここで60gを「純粋な水の重さ」と書かないことも大切です。食塩水を使ったので、保持された液には食塩が含まれる可能性があります。水と食塩がそれぞれ何gかを求めるには、保持液の濃度など追加の条件が必要です。もとの塩水と必ず同じ濃度になると、資料なしで決めつけないようにします。
条件を一つだけ変えるには
水と食塩水を比べたいなら、ポリマーの種類、乾燥時の重さ、液温、待つ時間、余分な液を除く方法をそろえます。水では一時間、食塩水では一分しか待たなかった場合、差が塩だけによるものとは判断できません。吸収の速さと、十分待ったときの量を区別して記録します。途中の時刻で少ないことが、最終的な容量の小ささとは限らないのです。
グラフを描く場合は、横軸を時間、縦軸を保持した液の重さにします。はじめ急に増えてあとで横ばいになる形でも、その横ばいが能力の限界か、用意した水が尽きたのかを考えます。容器に液が残っているかという観察を添えると、数字だけでは区別できない理由を補えます。
水を含むことと、水が固体になること
ゲルが形を保っていても、その水がすべて氷へ変わったわけではありません。物を支える高分子の構造と、内部の水を分けて考えます。加熱や冷却の状態変化の問題へ、見た目だけで結び付けるのは避けましょう。こぼれにくくなった性質を、質量が減った理由に使うこともできません。
入試で初めて見る材料が出てきたら、まず実験前後の重さを図の左右に置きます。次に増加分を取り出し、最後に乾いた材料の量で割ります。名称を知らなくても、この三段階で吸水量の比較を説明できます。実物を扱う場合は表示に従い、口へ入れず、排水口へ流さないことも必要です。
材料をこぼしたら引き算はどうなるか
吸水後の材料を移し替える途中で一部をこぼすと、最初の乾燥材料2gがすべて残ったという前提が崩れます。そのまま全体の重さから2gを引けば、水だけの量を正しく求められません。質量の増加から吸水を調べるときは、材料の出入りと液の出入りを分けて記録します。吸水前後で同じ試料を保つことが計算の土台です。
容器にふたをするかどうかも、長時間の比較では重要です。蒸発して外へ出た水は、吸い込んだ能力の差と区別しなければなりません。乾いた材料だけを入れた対照や、液だけを置いた対照を組み合わせれば、量の変化を確かめやすくなります。ただし、ふたがある場合とない場合で温度まで変わるなど、別の条件を増やさない工夫が必要です。
ゲルの高さを物差しで測る方法もありますが、膨らみの形が一定とは限りません。高さの比をそのまま吸水量の比とするには、容器の断面積やすき間などをそろえる条件が要ります。重さの測定と見た目の大きさの測定は、それぞれの長所を分けて使います。
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