高校化学 吸水性高分子とゲル—親水基と架橋から吸水と塩の影響を説明する｜武蔵野個別指導塾

乾燥試料と保持液の質量を分けて吸水倍率を求め、架橋を保つ膨潤と鎖が分散する溶解を区別します。

よくあるのは、水を吸って大きくなった粒を見て、高校生が高分子鎖は水に完全に溶けたと考える場面です。透明に近い水を含み、形が変わったことは確かです。しかし、鎖どうしがつながった網目が残り、その内部に水を含むことと、鎖がばらばらに水中へ分散することは別の変化です。粒の見た目と鎖の状態を結び付け、質量の記録から何が言えるかを考えます。

問いを読むための3つの入口

吸水性高分子の問題は、まず構造と状態を説明する型です。親水性の基が水と関わり、架橋が鎖の広がりを制限するという2点を区別します。水を引き込む理由だけでは、なぜ粒が形を保つかを説明できません。逆に架橋だけでは、なぜ水が入るかが残ります。

次は質量の型です。乾燥試料の質量、吸収後の全体の質量、取り込んだ液体の質量のどれを尋ねているかに印を付けます。「乾燥試料1 g当たりに保持した液体の質量」と定義した倍率は、全体の質量を乾燥質量で割った値とは1だけ違います。塩水を使う場合は、増えた質量を水だけの質量と呼べるかにも注意します。

最後は観察の比較です。純水と塩水で同じ試料、液量、時間、温度、液切りの条件をそろえます。結果の差が見えても、その1組の記録だけで、濃度と吸水量の関係全体や、内部で起きたすべての変化まで決めることはできません。

網目に水が入ると何が残るか

ポリアクリル酸ナトリウムの鎖には、繰り返し単位としておおよそ次の構造を見いだせます。

–CH₂–CH(COONa)–

ここで線は隣の単位へ続く結合を表し、両端を閉じた1分子の式ではありません。水中ではカルボキシラート基 COO⁻ が鎖に結び付き、Na⁺ は対イオンとして存在します。図1は鎖と架橋を模式的に示したもので、原子の数や実際の網目の大きさを描いた構造式ではありません。

図1のように、鎖を結ぶ架橋点があれば、水に触れて鎖の間隔が広がっても、網目のつながりは残ります。水を含んで体積が増える変化を膨潤と呼びます。水を多く含んだ網目がゲルです。網目を構成する高分子と、その中の水とを合わせて考えると、乾いた高分子がそのまま水へ変わったわけではないとわかります。

一方、溶解では溶質が溶媒中に分散します。架橋のない水溶性の高分子なら鎖が水中に分散できますが、十分につながった網目は鎖全体が独立して離れることを妨げられます。実際の試料には網目に組み込まれない成分が含まれる場合もあるため、見た目だけで全成分が不溶だとは決めません。透明であることも溶解の証拠としては不十分です。

カルボキシラート基は電荷を持ち、水分子と相互作用します。網目中のイオンと外側の液との濃度の違いも、水が網目へ移る方向に関わります。鎖上の同符号の電荷どうしの反発も網目を広げる方向に働きますが、架橋された鎖には広がりを戻そうとする作用があります。この両方を考えると、吸水量が無限に増えると扱わずに済みます。

塩水では外液にイオンがあり、網目の内外のイオン濃度の差が小さくなりやすくなります。また、外液の陽イオンが鎖上の負電荷の影響を弱め、鎖どうしの反発を小さくすることもあります。そのため、同じ条件で純水より膨潤が小さくなることがあります。ただし塩の種類、濃度、試料の構造、時間に依存するので、どんな塩水でも同じ割合で減ると断言しません。塩の影響を、架橋が必ず切れたからだと説明する根拠もありません。

基本例題：増えた質量を取り出す

乾燥した架橋高分子 0.50 g を純水に入れ、一定時間後に表面の余分な水を決められた方法で除いたところ、得られたゲルの質量は 12.50 g でした。試料の流出や蒸発はなく、増加分は水とします。乾燥試料1 g当たりに保持した水の質量を吸水倍率と定義し、吸収した水の質量と倍率を小数第1位まで求めてください。倍率に単位は付けません。

図2のように、吸収後の全体には乾燥試料も含まれます。まず差を取って水の質量を分けます。

保持した水の質量 = 12.50 g - 0.50 g
保持した水の質量 = 12.00 g
吸水倍率 = 12.00 g / 0.50 g
吸水倍率 = 24.0

答えは水 12.0 g、吸水倍率 24.0 です。検算では、乾燥試料 0.50 g に、0.50 g の 24.0 倍の水 12.0 g を加えると 12.5 g に戻ります。これは問題のゲル質量に一致します。12.50 を直接 0.50 で割った 25.0 は、乾燥試料を含む全体の質量の比です。定義した吸水倍率とは別の量なので、差の1を見落とさないようにします。

別の考え方では、全体の質量比 25.0 から乾燥試料に当たる 1.0 を引きます。この方法も、乾燥試料が失われず、増加分が水だけであるという条件の下で成り立ちます。表面の水が残っていれば増加分を網目内の水とみなせず、この計算だけでは保持量を特定できません。

標準例題：純水と塩水の表を読む

同じ乾燥試料を各 0.40 g 用意し、十分な量の純水または塩水に同じ時間接触させました。温度と液切り方法も同じです。次の値は考えるために与えた観察表であり、実在する製品の性能ではありません。試料の損失と蒸発を無視し、増加分を保持した液体の質量とします。保持液の倍率を乾燥試料1 g当たりの液体の質量と定義します。各倍率を小数第1位まで求め、観察から言えることを1文で述べてください。

純水で保持した液体 = 8.40 g - 0.40 g = 8.00 g
純水の倍率 = 8.00 g / 0.40 g = 20.0
塩水で保持した液体 = 4.40 g - 0.40 g = 4.00 g
塩水の倍率 = 4.00 g / 0.40 g = 10.0

答えは純水 20.0、塩水 10.0 です。この条件では、塩水の保持液の質量は純水の場合の半分です。逆に 0.40 g にそれぞれ 8.00 g、4.00 g を加えると表の全体質量に戻ります。塩水の増加分には溶けている塩も含まれうるため、4.00 g を水だけの質量とは呼びません。

横軸に液体の種類、縦軸に倍率を取れば、2本の棒の高さで比較できます。ただし横軸は種類であり、2点を直線で結んでも途中の濃度の値は得られません。表は、この2条件の比較を支えますが、塩の濃度を連続的に変えたときの曲線や、別の試料での結果を保証しません。

発展例題：測定の誤差を追う

同じ試料 0.30 g を2個用い、十分な液体に同時間接触させた後、実際には純水を 6.00 g、塩水を 3.00 g 保持していました。ところが純水側にだけ、網目に保持されていない表面水 0.60 g が残りました。ほかの損失はありません。液切り後の見かけの全体質量と、質量差から求める見かけの倍率をそれぞれ小数第1位まで求め、誤差の方向を述べてください。

純水側の全体 = 0.30 g + 6.00 g + 0.60 g = 6.90 g
塩水側の全体 = 0.30 g + 3.00 g = 3.30 g
純水側の見かけの倍率 = (6.90 g - 0.30 g) / 0.30 g = 22.0
塩水側の見かけの倍率 = (3.30 g - 0.30 g) / 0.30 g = 10.0

純水側の真の保持液倍率は 6.00 / 0.30 = 20.0 なので、表面水によって 2.0 大きく見えます。見かけの差は 12.0 ですが、真の差は 10.0 です。各全体質量から乾燥試料を引くと、それぞれ 6.60 g と 3.00 g に戻り、表面水を含む条件に合います。差が大きく見えたことを、塩の影響そのものが強かった証拠にはできません。

実験を設計するときは、変える量を液体の種類または塩の濃度にし、測る量を一定の液切り後の質量とします。同じ乾燥質量、同じ接触時間、同じ温度と液量を用い、純水を比較の基準にします。液切り方法を決めて繰り返し、ばらつきも記録します。実験は学校の指導の下で行います。

液切り不足は表面液を含めるため、保持量を大きく見せる方向に働きます。逆に粒の一部が流出したり、測定前に水が蒸発したりすると、小さく見える方向に働きます。複数の誤差が同時に起きる場合は互いに打ち消すこともあり、見かけの値が妥当でも誤差がないとは限りません。時間が不足していれば、その時点の値であり、十分時間を置いた後の値とは区別します。

誤答を直す：水を吸ったら溶けたのか

誤答は「粒が大きくなったので、架橋がすべて切れて高分子が完全に溶けた」です。観察されたのは水を含んで大きくなったことです。架橋の切断や鎖の分散は、その観察から直接は決まりません。

図3のように、膨潤では網目のつながりを残して水を含みます。溶解では溶質が溶媒中に分散するので、鎖が別々に存在する模式図で考えます。修正した答えは「親水性の基と水との相互作用などにより水を含み、架橋による網目を保ったまま膨潤した」です。観察に対応する主張を選び、見えていない結合の切断を付け足さないことが要点です。

もう一つの誤答は、塩水中で全体が 4.40 g になった標準例題について、4.40 g をそのまま保持液とすることです。乾燥試料 0.40 g が含まれるため、差の 4.00 g に直します。さらに液体が塩水なら、その質量は水と溶質を含む保持液の値です。問われた量の名前を式の左側に書くと、取り違えを見つけやすくなります。

練習問題

いずれも数値は計算のための条件です。液切りの後に表面液は残らず、乾燥試料の損失と蒸発はないものとします。倍率は乾燥試料1 g当たりに保持した液体の質量とし、計算結果は小数第1位まで求めます。

1. 乾燥試料 0.60 g が純水を保持し、全体で 9.60 g になりました。保持した水の質量と倍率を求めてください。
2. 乾燥試料 0.25 g の塩水に対する保持液倍率が 8.0 でした。保持液と液切り後の全体の質量を求めてください。保持液を水だけと呼べるかも答えてください。
3. 乾燥試料 0.80 g の純水に対する倍率が 12.0 です。同条件で乾燥試料 1.20 g に必要な純水の保持量を求めてください。試料量に比例すると与えます。
4. 等しい乾燥質量の試料を純水と塩水に入れ、同条件で測ったところ、保持液の倍率がそれぞれ 18.0、6.0 でした。塩水側の倍率は純水側の何倍かを求め、この比較だけで言えないことを1つ書いてください。
5. 架橋した試料が水を含み、粒の形を保ったまま大きくなりました。膨潤と溶解のどちらとして説明するのが適切か、親水基と架橋の両方に触れて書いてください。

練習問題の答えと解き方

1. 水の質量は 9.60 g − 0.60 g = 9.00 g、倍率は 9.00 / 0.60 = 15.0 です。答えは 9.0 g、15.0 です。0.60 g に 0.60 g の 15.0 倍を加えると 9.60 g に戻ります。

2. 保持液は 0.25 g の 8.0 倍で 2.00 g、全体は 0.25 g + 2.00 g = 2.25 g です。答えはそれぞれ 2.0 g、2.3 g です。丸める前の 2.25 g から 0.25 g を引くと保持液 2.00 g に戻ります。塩水には溶質もあるため、保持液の全質量を水だけとは呼べません。

3. 比例する条件から、保持量は 1.20 g の 12.0 倍で 14.4 g です。0.80 g に対しては 9.60 g であり、試料を 1.5 倍にすると保持量も 1.5 倍の 14.4 g に戻ります。答えは 14.4 g です。比例はこの設問の条件であり、液体が不足する場合にそのまま使えません。

4. 6.0 / 18.0 = 1 / 3 なので、塩水側は約 0.3 倍です。丸める前の比に 18.0 を掛ければ 6.0 に戻ります。この2条件だけでは、別の濃度でも同じ比になるとは言えません。倍率の比と倍率の差は別の量です。

5. 膨潤として説明します。親水基が水と相互作用し、水を含んで網目が広がる一方、架橋が鎖をつないでいるためです。粒が大きくなったことから、架橋が切れて鎖が分散したとまでは言えません。粒の形だけで成分の全部が溶けないと断定することも避けます。

覚えておくこと

• 親水基と水の相互作用、イオンの効果が吸水に関わります。
• 架橋された網目は水を含んで膨潤し、溶解とは区別します。
• 塩水では内外のイオン濃度差や電荷の影響が変わります。
• 保持液の質量は、条件を確認して全体質量から乾燥質量を引きます。
• 比較の結論は、試料と測定条件の範囲に限ります。

つまずきを見つける確認

構造の説明が止まったら、鎖に付いた基、水、架橋点を別々に書いてみます。水が入る理由と、網目がばらばらになりにくい理由をそれぞれ一文で言えれば、膨潤と溶解を区別する足場になります。塩水の問題では、外側にイオンが加わったことが、濃度差と電荷の作用にどう関わるかを確かめます。

計算に迷ったら、全体質量を「乾燥試料」と「保持液」に分け、求めた値を足し戻します。個別指導で確認するなら、倍率の定義を口に出し、表面液や試料流出が測定値をどちらにずらすかを図に書くと、式と観察をつなげられます。網目のつながりを残したまま水を抱えることが、吸水性ゲルの特徴です。