高校化学基礎 混合物の分離—物性の違いからろ過と蒸留の操作を選び分ける｜武蔵野個別指導塾

溶けた食塩がろ紙に残らない理由を押さえ、砂と食塩水から目的物を回収する操作の順序をたどれます。

よくあるのは、水に溶けた食塩までろ紙で取り出そうとして、高校生が手を止める場面です。食塩が水の中にあることと、ろ紙に残る固体としてあることは別です。分離の問題では、成分の名前を見るだけでなく、その成分が今どの状態で存在し、何の違いを使えるかを読み取ります。操作は紙上で考え、取り出したい成分がどこに移るかまで追います。

問題文のどこを見るか

出方の1つは、混合物の状態と性質が与えられ、適切な操作名を選ぶ型です。例えば液体中に溶けない固体があるのか、固体が溶けて透明な溶液になっているのかで、ろ過を選べるかが変わります。透明かどうかは手がかりですが、問題文に溶解の状態が明記されているなら、その条件を優先します。

もう1つは、複数の操作を順に並べ、目的物が各段階のどちらにあるかを答える型です。最初の操作で不要物を除いても、目的物を捨てる側に入れてしまえば取り出せません。各段階の前後に「残る側」「移る側」と成分を書き、最後に目的物の行き先をたどります。

さらに、誤った操作の理由を説明する記述もあります。「ろ過では無理」と操作名を否定するだけでは、何が通過するかが伝わりません。溶けた成分はろ液に移ること、または沸点や溶解度の条件が操作に合わないことを、与えられた状態に結びつけます。条件不足なら名前から性質を決めつけず、判断に必要な情報を挙げます。

6つの操作と使う違い

図1のように、まず成分が溶けているか、液体同士なら混ざり合うかを確かめます。ろ過は、液体に溶けない固体と液体を分ける操作です。固体はろ紙上の残留物となり、液体はろ液として通ります。食塩水では溶けた食塩も水とともにろ液側へ行くため、ろ過で食塩を回収できません。粒子が目に見えないほど細かい固体の扱いなどは条件に左右されるので、問題の指示を読みます。

図1は操作の選択に使う主な性質を整理したものです。蒸留は液体を蒸発させて生じた蒸気を冷やし、液体として集めます。沸点などの揮発しやすさの違いを利用し、食塩水から水を取り出すときにも使えます。蒸留して得る液体を留出液と呼びます。溶けた食塩は水と同じようには蒸発せず、元の容器側に残ります。加熱した成分が分解しないなど、問題で成り立つ条件も必要です。

分留は、互いに混ざる液体の混合物を、主に沸点の違いを使って分ける操作です。蒸発と凝縮を繰り返す仕組みを利用し、蒸気に多く含まれやすい成分から取り出します。沸点が同じなら、この違いを根拠に分けるとは言えません。また、一般に各成分が完全に純粋な状態で一度に得られると決めつけず、問題に示された条件に従います。

再結晶は、溶媒に対する固体の溶解度の温度による違いを使います。高温の溶液を冷却し、溶けている固体の量がその温度で溶ける限度を超えると、超えた分が結晶として析出します。不純物も同じように結晶に混じる場合は、目的物だけが純粋に得られるとは限りません。溶解度の温度変化が小さい場合も、冷却による回収量は小さくなります。

抽出は、物質が異なる溶媒に溶ける程度の違いを使って、目的物を一方の溶媒へ移す操作です。互いに混ざり合わない2つの液体を使う場面では、液層を分けて目的物の多い側を選びます。どちらの層が上かは名前だけで決めず、問題に示された密度を見ます。昇華法は、加熱で固体から気体になり、冷えると再び固体になる性質を利用します。混合した他の成分にも同じ性質があれば、その差を使った分離は困難です。

基本例題：ろ過の後に水を集める

問題。砂と食塩が水に入った混合物があります。食塩はすべて水に溶け、砂は溶けていません。水と砂をそれぞれ別に回収したいとします。水は加熱しても分解せず、食塩は水とともに蒸発しないものとします。ろ過と蒸留を使い、操作の順序、砂の行き先、水の行き先をそれぞれ答えてください。

まず混合物の中身を、溶けない砂と食塩水に分けて考えます。砂が溶けないという条件があるので、最初の操作はろ過です。ろ過の前後の対応を、成分ごとに1行ずつ書くと次のようになります。

砂 → ろ紙上の残留物

水 → ろ液

溶けた食塩 → ろ液

この時点で砂は回収できています。一方、水の入ったろ液には食塩も残るので、ろ液をそのまま水として答えることはできません。次にろ液を蒸留します。水は蒸気となり、冷やされて留出液として集まります。食塩は問題の条件により元の容器側に残ります。答えは、ろ過して砂を残留物として得た後、ろ液を蒸留して水を留出液として得る、です。

図2のように、矢印の先で目的物を見失わないことが重要です。水を回収する設問なのに、蒸留後の容器に残る食塩を答えていないか確かめます。逆に砂の回収を問われた部分では、ろ液ではなくろ紙上の固体を指します。最後に各成分を元の混合物に戻すように追うと、砂は残留物、水は留出液、食塩は蒸留後の容器側に対応し、行き先に抜けがありません。

食塩を取り出すことが目的なら、蒸留で水を集める答えだけでは目的が違います。条件によっては水を除いた後の固体を考えますが、純度や回収方法まで求める場合は、問題にある条件を確認します。操作名が合っているかと、欲しいものを選んだかは別々に点検します。

条件が変わると順序も変わる

問題。固体Aと固体Bの混合物があります。Aは水に溶けず、Bは高温の水に多く溶け、低温では少ししか溶けません。AとBは水と反応しません。Bは高温で全量が溶け、その溶液は高温で飽和しているものとします。最初のろ過では温度を保ち、ろ液を十分に冷やすとBの結晶が析出し、B以外の固体は析出しないものとします。Bの結晶を得る操作を、温めた水に混合物を入れた後から順に3つ挙げ、それぞれでBがどちらにあるか説明してください。

まず、与えられた高温の水にBを溶かします。Aは溶けないため、次にろ過すればAを残留物として分けられます。この段階のBはろ液中に溶けています。続いてろ液を冷やすと、低温で溶けきれないBが結晶として現れます。最後にろ過すれば、Bの結晶はろ紙上に残り、液体はろ液になります。求める3つの操作は、ろ過、冷却、ろ過です。最初のろ過はAを除き、最後のろ過はBの結晶を集めるためで、同じ操作でも目的が異なります。

Bの行き先を逆にたどると、最後の残留物のBは、冷却前にはろ液に溶けていました。さらに最初のろ過前には高温の水に溶けていたBです。Aは最初の残留物にあり、冷却する液に入らないので、与条件と対応します。冷却後にもBの一部は溶液に残るため、結晶として回収した量が最初のBの全量とは限りません。

分かれ目は、高温で溶かした後のろ液を冷やす点です。冷やす前にろ過して得た残留物はAであり、Bではありません。また、Bの溶解度が温度でほとんど変化しないという別の条件なら、冷却によって十分な結晶が生じるとは判断できません。水に溶けないものがBだった場合も同じ順序を機械的に使えません。性質が欠けている場合は、溶解度とその温度変化を確かめてから選びます。

間違えた答えをどう直すか

誤答は「食塩水をろ過すると、食塩がろ紙に残り、水がろ液になる」です。原因は、混ざっている成分なら何でもろ紙で分けられると考え、食塩が溶けているという状態を見落としたことです。修正すると、食塩と水はともにろ液側に行きます。食塩水から水を集めたい条件なら、蒸留して水を留出液として集めます。

図3のように、ろ過の前後に「溶けた食塩」と「水」をそれぞれ書けば、誤った残留物を選びにくくなります。ろ紙を通るかどうかと、後から水を蒸発させたときに固体が残るかどうかは、別の操作での判断です。食塩が存在することを否定するのではなく、ろ過の段階での居場所を訂正します。

別の誤りは、抽出で「目的物は必ず上の層」とすることです。目的物がどちらの溶媒により溶けるかと、その溶媒が上層か下層かは別の情報です。前者は溶けやすさ、後者は互いに混ざらない液体の密度で判断します。片方しか与えられなければ、層を断定しないことが修正になります。

蒸留と再結晶の取り違えにも注意します。冷却という言葉は両方に現れますが、蒸留では蒸気を冷やして液体を集め、再結晶では溶液を冷やして固体の結晶を生じさせます。何を冷やし、どの状態の目的物を得るかを書けば、言葉だけで選ぶ失敗を防げます。

分離が途中で思うように進まない場合も、与条件に戻ります。例えば再結晶で結晶が現れないときは、冷却前に目的物が十分に溶けていたか、冷却によって溶解度が減る条件かを点検します。性質の情報がなければ、原因を1つに決めることはできません。蒸留でも、目的物が加熱で分解する条件なら、加熱後の液体を元の物質だと扱う推論は成立しません。

練習：条件から行き先を追う

次の4問を先に解き、各答えに示された語を使って説明してください。操作は紙上で判断します。

1. 泥が混ざり、泥は水に溶けていないとします。泥と水を分ける操作名を1つ挙げ、泥と水の行き先を「残留物」「ろ液」を使って答えてください。
2. 液体Cと液体Dは互いに混ざり、加熱しても分解せず、沸点が異なります。沸点の違いを利用して分ける操作名を1つ挙げ、先に得られやすい成分を「沸点」の語を使って答えてください。
3. 固体Eと固体Fの混合物では、Eは加熱すると液体を経ずに気体になり、冷却すると液体を経ずに固体に戻ります。Fはその条件で気化しません。分離に使う操作名を1つ挙げ、Eの状態変化を順に答えてください。
4. 互いに混ざらない液体Gと液体Hがあり、Gの密度はHより小さいとします。物質JはHよりGに多く溶けます。Jを移す操作名を1つ挙げ、Jが多い層の上下と、判断に使った2種類の性質を答えてください。

答えとたどり方

1. ろ過です。泥は残留物、水はろ液に入ります。泥が溶けていないという条件が、固体をろ紙に残す判断の根拠です。行き先から戻すと、残留物の泥とろ液の水が元の混合物の成分に対応します。泥が水に溶けていたという条件なら、この答えは使えません。

2. 分留です。沸点の低いCまたはDが先に得られやすい成分です。どちらの文字が低いかは与えられていないので、Cと断定できません。混ざる液体について沸点の差を使うという条件に戻ると、分留を選ぶ理由と先に多く出る側の判断がつながります。完全に分けられるかどうかも、この情報だけでは断定しません。

3. 昇華法です。Eは固体から気体になり、冷えて固体に戻ります。Fは与えられた条件では気化しないので、気体になったEを冷やして回収する判断が成り立ちます。得た固体を元にたどると、気化したのはEであり、Fは元の側に残るという条件に合います。Fも同様に気化するなら、この差を根拠にはできません。

4. 抽出です。Jが多いのは上層です。JがGに多く溶けるという溶解性の差からG側を選び、Gの密度がHより小さいことからGが上層と判断します。上層のGにJが多く、下層がHであると戻して読むと、与えられた2つの条件に合います。JがHに全く残らないとは条件に書かれていないため、全量が移ったとは答えません。

押さえる点

• ろ過は溶けない固体と液体を分けます。
• 蒸留と分留は主に揮発しやすさの差を使います。
• 再結晶は溶解度の温度変化を利用します。
• 抽出は溶媒への溶けやすさ、昇華法は状態変化の差を使います。
• 操作後に目的物がどこへ行くかまで追います。

答えが止まったときの見分け方

操作名は言えても理由が書けないときは、混合物の各成分の状態に印を付けてみます。固体が見えないのに存在を忘れるなら、溶けた成分をろ液に書き込む練習が必要です。操作を複数並べる問題で迷うなら、各段階で残留物と液体のどちらを次へ送るかを矢印で示します。

個別指導で確かめる場面では、食塩水について「食塩はろ過後のどこにあるか」と問い、その答えに続けて「水を集めるには何を利用するか」を説明してみます。名前が正しくても行き先が違う場合と、行き先は合っていても性質を取り違える場合では、戻る箇所が違います。混合物の分離は、成分の状態と操作後の居場所をつないで判断します。