水に塩を溶かしたり砂糖を溶かしたりなど、水に何かを溶かす場面は日常生活の中でもたくさんあります。そういった日常の素朴な体験をもとにでは水に塩はどれぐらい溶けるのか、そういった疑問点のもと実験をしています。
実験の都合上、結晶のもとは「塩」ではなく「ミョウバン」を利用しています。
なぜ結晶づくりにミョウバンを利用したのか。その理由はページ後半の「結晶づくりにミョウバンが使われる理由」に説明をまとめてあります。気になる方は下記文字からそちらをご確認ください。
ミョウバンの結晶を作るための理論
1．水にミョウバンを溶かす
水にミョウバンはどれだけ溶けるのかな？
まずは、水100gに対してどれだけのミョウバンが溶けるのかを調べてみましょう。
最初に水の中にミョウバン4.0gを溶かしてみます。すると何事もなかったかのように普通に溶けます。
さらにミョウバン4.0gを溶かすと、先ほどより溶けにくさを感じますが、問題なく溶かすことができました。
もう一度ミョウバン4.0gを溶かそうとすると、今度はうまく溶かすことができませんでした。
全体の平均で水100gに対して、ミョウバンはおおよそ11g溶かすことができました！
2．ミョウバンが溶けなくなった理由
最初は順調に水に溶けていたミョウバンが、途中から溶けにくくなったのはどうして？
これは水100gに溶かせるミョウバンの量が決まっているからです。
例えば、私たち人間も食べ物がたくさん食べると「お腹いっぱい」状態になりその後何も食べることができなくなってしまします。
水もミョウバンを溶かしすぎると、人間でいうところの「お腹いっぱい」状態となりそれ以上ミョウバンを溶かすことができなくなります。
この人間でいうところの「お腹いっぱい」状態、つまりこれ以上水にミョウバンが溶けなくなる状態のことを理科の言葉で「飽和水溶液」と言います。
そして、そのときに限界まで溶かすことができたミョウバンの量を「溶解度」と言います。
【飽和水溶液】
水に砂糖や塩やミョウバンなどを最大限まで溶かして、それ以上溶かすことができない水
【溶解度】
水に溶かすことができる最大の量
3．さらにミョウバンを溶かす
飽和状態になったらもうミョウバンを溶かすことはできないのかな？
ミョウバンの結晶づくりで重要なのは、この「飽和」状態になってからさらにミョウバンを水の中に溶かすにはどうすればよいのか、という点です。
人の場合であれば「お腹いっぱい」状態になっても、しばらくすればまた食べられるようになります。
しかし水の場合は、しばらく時間が経過してもミョウバンの溶かせる量に変化はありません。
ではどうすればミョウバンをより溶かすことができるでしょうか。
今回は水の分量はそのままに、水の温度をあげることによってミョウバンをより溶かしていきます。
下の表を見てみましょう。
不思議なことに水の温度を上げると、より多くのミョウバンを溶かすことができるようになることがわかります。
例えば100gの水に対して水温が30℃の場合ミョウバンは最大16.5g溶かすことができます。
この水の水温を70℃まで上げると最大で110.1gまで溶かせるようになります。
つまり水の分量が同じでも、水温を上げてあげればより多くのミョウバンを溶かすことができるということです。
水を温めることでより多くのミョウバンを溶かすことができる！
4．どうしてミョウバンの結晶ができるのか
熱い水にたくさんのミョウバンを溶かしたあと、水を冷やすとどうなるの？
ここまで水の温度を上げるとミョウバンが溶けやすくなることを説明しました。
では逆に、温めた水に大量のミョウバンを溶かしたあとに、水の温度を下げるとどような現象が起きるのでしょうか。
まず水100g水温70℃にミョウバン26.5gを溶かします。水100g水温70℃の場合、ミョウバンは110.1g溶かすことができるので、26.5gは問題なく溶かすことができます。
その後、水温を30℃まで冷やします。
ミョウバンの溶解度曲線をもう一度確認すると、30℃の水にミョウバンは16.5gしか溶かすことができないことがわかります。
つまり70℃の水に溶かした26.5gから、30℃の溶解度16.5gを引いた10.0gが水からミョウバンが析出されます。
このように温めた水に大量のミョウバンを溶かしたあとに、水温を下げることによってミョウバンを析出させることを「再結晶」と言います。
理科の実験で結晶づくりといわれているものはこの「再結晶」という理論を応用したものです。
5．結晶づくりにミョウバンが使われる理由
結晶づくりでミョウバンがよく利用されているのは、温度差によって水に溶ける最大のミョウバン量（溶解度）に大きな差があるからです。（ミョウバンの扱いやすさ安全性もあります。）
上の表を確認すると塩でも水の温度が高くなるについてより溶けるようになりますが、ミョウバンのように大きな差はありません。
つまり温度差によって塩を析出するのが難しいと言えます。
そういった理由もあり今回の実験の結晶づくりにはミョウバンを利用しました。
6．気体の溶解度
水に溶けているものとして意外に忘れやすいのが二酸化炭素です。
そもそも「二酸化炭素が水に溶けるの？」と疑問に思われる方もいるかもしれませんが、「炭酸水の泡」が二酸化炭素であることは多くの人が知っているのではないでしょうか。
そうです。二酸化炭素も水に溶けるのです。
ただ不思議なことに、ミョウバンや塩などの固形物とは反対に、二酸化炭素をはじめとした気体は水温が高いほど逆に溶けにくくなる性質があります。
例えば、冷蔵庫に中に入れてある炭酸水と暑いところにおいてある炭酸水とでは、ペットボトル内で確認できる泡の数に大きく差があります。
これは冷たいところでは二酸化炭素が溶けやすく泡が出にくい。
暑いところでは水に二酸化炭素が溶けにくくなるため、泡となって表に現れやすくなっているという現象が見て取れます。