高校化学 コロイド—定期テストで粒子の性質から透析と凝析の観察結果を説明する｜武蔵野個別指導塾

ろ紙と透析膜を通る粒子の違いを整理し、凝析では電荷、塩析では水和に注目して観察の理由を説明します。

よくあるのは、学校の範囲表と授業ノート、小テストを照合したとき、ろ紙を通る粒子は半透膜も通ると考えてしまう場面です。どちらも境界を通るかどうかを見る操作ですが、通過できる粒子の大きさの範囲は同じではありません。ノートの装置図に、何が入っていて、どの側を調べたのかを書き足すと、観察結果の意味を追いやすくなります。

学習指導要領では化学の内容に物質の状態と溶液が置かれています。実際にどこまで学習したかは学校の範囲表で確かめ、ここでは分散した粒子の性質と分離の説明を扱います。

観察からたどる3つの型

1つ目は、光を当てたときの見え方や粒子の動きから、現象名と原因を結び付ける型です。光の道筋が見えるという記録なら、粒子が光を散乱させることに注目します。粒子が不規則に動くという記録なら、周囲の分子との衝突を考えます。似た図が並んでも、問われているのが光か運動かを先に確かめます。

2つ目は、混合物をろ過した後、さらに半透膜を用いて小さな粒子を取り除く型です。操作ごとに膜の内側と外側を区別し、通過できるものと残るものを記録します。通過できることと、その瞬間に全部が外へ出ることは別です。時間や外液の交換の条件がなければ、取り除かれた量を勝手に決めません。

3つ目は、電解質を加えた前後の変化を説明する型です。疎水コロイドの凝析と、親水コロイドの塩析では、粒子が分散を保つ理由が異なります。塩を加えたという共通点だけで同じ機構にせず、粒子の電荷や水和に着目します。条件が与えられない場合に、沈殿の量や変化に必要な塩の量まで推測することはできません。

粒子と通り道を分けて考える

物質が細かい粒子として他の物質中に散らばった状態を分散系といいます。散らばっている側を分散質、それを取り囲む側を分散媒と呼びます。液体を分散媒とするコロイドの分散系は、流動性のある状態をゾル、流動性を失って固まった状態をゲルと呼びます。分散媒は粒子の名前ではなく、粒子が散らばる場です。

コロイド粒子は、およそ 1 nm から 100 nm 程度の大きさの粒子です。粒子は小さく、普通のろ紙を通りますが、一般に透析に用いる半透膜は通れません。一方、水や小さなイオンはその膜を通れます。図1のように、ろ紙と半透膜は同じふるいではありません。ただし実際の通過は膜の種類や粒子の大きさによるので、問題で膜の条件が指定されたらその条件を優先します。

図1のように、ろ紙を通った液にもコロイド粒子は残ります。半透膜を隔てて水に接すると、小さなイオンなどが膜を通って外側へ移動します。このようにコロイド粒子から小さなイオンや分子を分ける操作が透析です。内外の濃度差による移動は両方向に起こりますが、差があれば正味では濃度の高い側から低い側へ移動します。外液を新しい水に取り換えると、内側から外側への正味の移動を続けやすくなります。

コロイドに光を横から当てると、散乱された光が目に入り、光の通り道が見えることがあります。これをチンダル現象といいます。光そのものが曲がって道を描くのではなく、粒子によって散乱された光を見ています。また、顕微鏡などで見える粒子が不規則に動くブラウン運動は、周囲の分子がさまざまな方向から衝突するために起こります。粒子が自分の意思で泳ぐ現象ではありません。

水となじみにくい疎水コロイドでは、粒子が同じ符号の電荷を帯びて反発し、分散が保たれます。適量の電解質を加えると、反対符号のイオンの作用で電荷が打ち消され、粒子が集まって沈殿することがあります。これが凝析です。水となじみやすい親水コロイドでは、粒子の周りの水和が安定に寄与します。多量の塩を加えて水和が弱まり、分散質が析出する現象を塩析といいます。少量の電解質で起こる凝析と、一般に多量の塩を要する塩析を区別します。

基本例題：ろ過の後に透析する

ある授業の記録では、水を分散媒とする混合液に、コロイド粒子Aと小さなイオンB、およびろ紙を通らない粗い粒子Cが含まれています。使用するろ紙はAとBを通し、Cを通さないものとします。使用する半透膜は水とBを通し、AとCを通しません。混合液をろ過し、得られたろ液を半透膜の袋に入れて純水に浸します。十分な時間を置き、袋の外の液を調べます。各操作直後にどの粒子がどこにあり得るか、また外液にBが現れる理由を説明してください。袋の破損や液漏れはないものとします。

まず、ろ紙について与えられた通過条件を読みます。Cは通れないのでろ紙上に残ります。AとBは通るため、ろ液にはAとBが含まれます。ここで「ろ液は透明だからAがない」と決めることはできません。コロイド粒子は小さく、見た目だけでは存在を判定できないからです。

次に、ろ液を袋へ入れます。袋の内側にはAとBがあり、外側は初め純水なのでBはありません。膜はBと水を通しますがAを通しません。Bは内側から外側へ移動でき、濃度差がある間は正味で外側へ移動します。十分な時間後、外液にBが現れます。Aは袋の内側に残り、Cはろ過の段階で除かれているため袋の内外には入りません。

図2のように、同じ混合液でも操作を通過するたびに追う対象が変わります。ろ過ではCを分け、透析ではAを残しながらBを外液へ移します。袋の内側のBが完全になくなったとは断定しません。外液にもBが存在するようになれば逆向きの移動もあり、交換しない外液との間では濃度差が小さくなるためです。

図2のように、外側にBがあるという結果は、Bが半透膜を通れるという条件と対応します。外液にAが検出されたという異なる結果を得た場合、与えられた正常な条件とは一致しません。膜の破損、器具への付着や混入、検出操作の誤りなどを候補に挙げ、記録を確かめます。その結果だけから原因を1つに決めず、袋の状態や対照の記録を調べます。

透析の結果が予想と違う場合は、まず内液と外液の採取場所を取り違えていないか確認します。検出が陰性でも、検出できる濃度に達していない可能性があり、直ちに膜を通れないとは結論できません。観察の限界と膜の条件を分けて読むことが必要です。

少し難しい例題：同じ電解質でも理由は同じか

授業の観察で、負の電荷を帯びた疎水コロイドPと、親水コロイドQを別々の容器に用意しました。Pには少量の電解質を加えたところ粒子が集まり、Qには多量の塩を加えたところ分散質が析出しました。操作前はどちらも均一に分散し、他の条件による変化はないものとします。それぞれの現象名を答え、分散を保つ仕組みと変化の理由を説明してください。

Pでは、同じ負の電荷を帯びた粒子同士が反発することが、分散を保つ要因です。加えた電解質の陽イオンは粒子と反対符号の電荷を持ちます。その作用で粒子の電荷が打ち消されると、反発が弱くなり、粒子が集まります。これは凝析です。陰イオンを選んで「負の電荷を中和する」と書けば符号が合いません。反対符号であることを確かめてから説明します。

Qでは、粒子に水が結び付く水和が分散を安定にする要因です。多量の塩を加えることで水和が弱まり、分散質が析出します。これは塩析です。両方とも粒子が集まる結果ですが、Pでは電荷による反発、Qでは水和に注目するところが分かれ目です。問題文がPとQを入れ替えたなら、操作名を順番で暗記せず、まず疎水性と親水性を読み直します。

条件を元に戻して確かめると、Pの陽イオンは負の粒子と反対符号で、反発が弱まる説明に合います。Qは多量の塩と水和の低下が対応します。どちらの記録にも量的な条件はないので、析出した質量や必要な濃度は求められません。また、分散しなくなった理由を「粒子が消えた」とするのは、集まったという観察に合いません。

誤答を見つけて直す

誤答「ろ紙を通ったAは半透膜も通り、外液に出る」。原因は、2つの境界を同じ大きさの穴として扱ったことです。図3のように、ろ紙ではAが通り、指定された半透膜ではAが通らないという条件を別々に記します。修正すると「Aはろ液に含まれるが、透析の袋内に残る」です。図3は基本例題のAとBを使っており、Bは膜を通れます。

別の誤答は「外液にBが検出されたので袋内のBは0になった」です。原因は、通過できることを完全な除去と読み替えたことです。修正では、Bは内外を移動できると書き、外液の交換や時間の条件を確認します。検出された事実からわかるのは外側にBがあることまでで、内側が0かどうかは別の測定が必要です。

さらに「チンダル現象は粒子自身の不規則な運動」という誤答もあります。光の通路の観察と粒子の運動を混同したことが原因です。前者は光の散乱、後者は周囲の分子との衝突によるブラウン運動に直します。光を当てる記録と動きを観察する記録を別の行に書き、それぞれの原因を結び付けると混同を見つけやすくなります。

練習：記録から説明する

次の3問を先に解き、解答欄に現象名だけでなく理由も書いてください。どの問いも与えられた条件の下で考えます。

1. 水中に分散した粒子Dに光を当てると、横から光の通路が見えました。さらに粒子を拡大して観察すると、不規則に動いていました。2つの現象名と、それぞれの原因を答えてください。
2. コロイド粒子Eと小さな分子Fを含む液を、Eは通さずFと水は通す半透膜の袋に入れ、純水に浸しました。時間がたつと外液からFが検出されました。Eの位置とFが外液に現れた理由を答え、袋内のFが0と断定できるか説明してください。
3. 正の電荷を帯びた疎水コロイドGに電解質を加えると粒子が集まりました。別の親水コロイドHに多量の塩を加えると析出しました。それぞれの現象名と原因を答え、Gの電荷を打ち消す作用を持つイオンの符号を示してください。

練習の答えとたどり方

1. 光の通路が見える現象はチンダル現象です。Dが光を散乱し、その光が横から目に入るためです。不規則な運動はブラウン運動で、分散媒の分子が粒子にさまざまな方向から衝突するためです。問題の観察に戻すと、前者は光の見え方、後者は粒子の位置の変化に対応し、原因を入れ替えずに説明できます。光が見えることだけから、粒子が静止しているとはいえません。

2. Eは袋内に残ります。Fは膜を通り、初め外液にないため内外の濃度差によって正味で外へ移動し、外液で検出されます。Fは膜を両方向に通れるので、外液で検出されたことだけから袋内のFが0とは断定できません。条件に戻すと、Eは膜を通らず、Fは通るという指定と一致します。外液を交換しない場合と交換する場合を混ぜずに考えます。

3. Gは凝析で、電解質の陰イオンが正の電荷を打ち消す作用を示し、粒子間の反発が弱まります。Hは塩析で、多量の塩によって水和が弱まり分散質が析出します。Gの粒子は正、陰イオンは負なので符号が反対です。Hの説明には水和を入れると、単に「塩で固まる」と書くより、2つの記録の違いが明確です。塩の量や析出量の数値は与えられていないため、計算によって決めることはできません。

覚える道筋

ろ紙と半透膜は通過条件を別に読む。 チンダル現象は散乱、ブラウン運動は分子の衝突で説明する。 透析は小さな粒子を膜越しに分ける操作です。 疎水コロイドの凝析は電荷、親水コロイドの塩析は水和に注目します。

答えが止まる場所を見つける

通過の問題で手が止まったら、まず操作前の粒子名を列挙し、ろ紙の前後と膜の内外にそれぞれ書き入れます。粒子を最初から消していないか、通過できることと全量が移ることを同じ意味にしていないかを確かめます。膜の破れや汚染が示されたときは、理想的な膜の通過条件だけで異常な結果を説明しようとせず、どの前提が崩れたかを見直します。

個別指導で確かめるなら、本人が描いた境界線に粒子ごとの矢印を添えてもらい、その矢印が問題文の条件のどこに対応するかを尋ねます。凝析と塩析では、現象名を言えた後に、反発と水和のどちらが弱まるかを本人の言葉で説明します。観察、通過条件、原因を順に結ぶと、コロイドの結果を根拠から記述できます。