鉄をさびから守る方法には、表面を覆って水や酸素との接触を減らす方法と、別の金属が先に反応する方法があります。亜鉛による保護には、この二つの働きを区別して考える必要があります。「めっきは全部、傷が付いたら同じ」とまとめないことが大切です。
中学入試の実験問題では、鉄だけ、亜鉛と接触させた鉄、離して置いた鉄などを比べる資料が考えられます。反応しやすさの順序が与えられたら、それを使って予想し、表面を隠したことだけで説明できるかを検討します。この記事の例題は、実際の実験値ではない比較用の模型です。
鉄を覆わなくても、接触が意味をもつ
亜鉛が鉄と電気的につながり、適した水溶液などの環境にあると、亜鉛が先に反応して鉄の腐食を抑える働きをすることがあります。これを犠牲防食と呼びます。亜鉛が鉄の代わりに消耗するので、保護材は永久に残るわけではありません。
一方、塗料で鉄を覆う場合は、主に外部との接触を遮ることが役割です。塗料に傷ができて鉄が露出すれば、その場所の保護は弱まります。亜鉛の場合、傷があっても周囲の亜鉛とつながっていれば保護が働き得ますが、どんな大きさの傷でも永久に守れるという意味ではありません。
似た金属の組み合わせでも結果は変わる
鉄より反応しやすい金属をつなぐ場合と、鉄より反応しにくい金属をつなぐ場合は違います。後者では条件によって鉄の反応が進みやすくなることがあります。光沢のある金属を付ければ安心、という見た目の判断はできません。与えられた反応しやすさと接続の状態が根拠です。
ただし、反応しやすさだけを知れば、腐食の速さまで数値で分かるわけではありません。水の成分、酸素、面積、温度なども関係します。比較問題で同じにした条件を探し、違うのが金属の種類なのか接触の有無なのかを区別しましょう。
例題1｜覆う効果と接触の効果を分ける
同じ鉄くぎを同じ液に入れます。Aは鉄だけ、Bは鉄の一部に亜鉛片を接触させたもの、Cは同じ大きさの亜鉛片を鉄から離して同じ容器に置いたものです。亜鉛が鉄を覆う面積はごく小さく、ほかの条件は同じです。Bだけさびが少なかった場合、どの比較が接触の重要性を支持しますか。
答え・解説： BとCの比較です。両方に同じ亜鉛がある一方、接触の有無が異なります。AとBだけでは、亜鉛があることと接触していることを分けられません。BとCの差は接触が関係するという根拠ですが、これだけで目に見えない反応の全過程を直接観察したことにはなりません。
例題2｜保護材の交換時期を模型で読む
ある装置には亜鉛が24gあり、模型では一日につき0.6gずつ消耗します。保護を保つため、残量が6gになった時点で交換すると決めました。使い始めから何日後に交換しますか。途中で速さが変わらないとします。
答え・解説： 交換までに使えるのは24−6＝18gです。18÷0.6＝30日後となります。24÷0.6＝40日は、全部なくなるまでの模型上の時間で、交換条件とは違います。実物の交換時期をこの数値から決めることはできず、例題の一定の消耗という条件に限った計算です。
観察するのは、鉄だけではない
鉄のさびが少ないとき、亜鉛の方に変化があるかも記録します。鉄が守られたという結果だけを見れば、何も起きていないように感じるかもしれません。しかし保護材の消耗という別の変化が進んでいる可能性があります。実験では、守られる側と代わりに反応する側を二列にすると、説明の抜けが減ります。
重さを量る場合も、表面に付着した反応生成物を含むか、取り除いた後の金属を量るかで意味が変わります。さびが付いたくぎの全体重量を、そのまま未反応の鉄の量とは呼べません。例題2の残量は、指定された未反応の亜鉛として扱っています。
理科の記述では「亜鉛がさびないから鉄もさびない」ではなく、どちらが先に反応して、どちらの反応が抑えられるかを述べます。外見がきれいという印象ではなく、物質ごとの変化を分ける読み方が、めっき、電池、酸化の学習をつなぐ足場になります。
接触面を変えた実験を読む
亜鉛の量を同じにしても、電気的につながっているか、表面に絶縁性のものがあるかで条件が変わります。見た目に近く置いてあるだけと、金属どうしが導通している状態を区別します。資料に導線でつないだ図があるなら、直接覆うことと電気的な接続を分けて調べる意図を考えましょう。
保護の有無をさびの面積で比較する場合は、鉄の露出面積もそろえます。小さいくぎと大きいくぎのさびた面積だけを比べても、全体に対する割合は分かりません。さびた面積、鉄の全露出面積、観察日数の三つをセットで残すと、公平な比較になっているかを検討できます。
亜鉛の消耗が少ないことも、それだけで高性能を意味しません。鉄が保護されていないために亜鉛も反応していない場合と、効率よく守れている場合を見分けるには、鉄側の変化も必要です。片方の金属だけで成績を付けず、両方の記録を組み合わせると、身代わりという言葉の意味を具体的な観察へ戻せます。