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液体にして分離する方法

空気は、窒素・酸素、その他の気体の混合物ですが、これに圧力をかけて、冷やすと、液体空気が得られます。

液体空気の中にある液体窒素も液体酸素もそれぞれ違った沸点をもっていますからこれを放置しておくと、沸点の低いヘリウムやネオンが気体となって蒸発し続いて窒素・アルゴンが蒸発します。

残った液には、酸素が多く含まれますがこれが蒸発すると、クリプトンやキセノンなどの液体が残ります。

このような方法でそれぞれの気体を分離することができます。

また、アンモニアと水素や窒素の混合気体を冷やすとアンモニアは液体になり、他は気体のままでいるのでアンモニアを分離することができます。

このように気体混合物は、その全部を液体にしてから分留するか液化しやすい気体だけを液化して分離します。

吸収剤・吸着剤などで分離する方法

二酸化炭素と酸素の混合気体から酸素だけを分離するにはつぎのようにします。

混合気体を注射器に入れ、二酸化炭素をよく吸収する液（水酸化ナトリウムや水酸化カリウムの濃い水溶液）を吸い込み栓をしてよく振ります。

すると、二酸化炭素は、それらの液に溶けるので気体の体積は小さくなり、酸素だけが残ります。

空気中の酸素の量を測定する

窒素の混合気体から、酸素を取り除くには、つぎのようにします。

酸素は、塩基性にしたピロガロールの水溶液（ピロガロールの5％水溶液と10％水酸化ナトリウム水溶液を1対1に混ぜたもの）に吸収されるのでまえのように注射器に入れて振ると、酸素は吸収され窒素だけが分離します。

この方法を用いると、空気中の酸素の量を測定することができます。
すなわち、注射器にとってはじめの空気の体積V₁をはかっておき、つぎにピロガロールを入れて、これに吸収された酸素の体積₂をはかればV₂/V₁ が空気中の酸素の割合となります。

また、つぎのような方法もあります。

繊維状の鉄（スチールウール）を試験管に入れ水の中に逆さまに立てておくと、空気中の酸素はスチールウールをさびさせるのに使われてしまいます。

そのため、使われた酸素の量（体積）だけ水が試験管の中に入りますからその体積から酸素の量を測定することができます。

分留による分離

水にアルコールが混合していたりメチルアルコールとエチルアルコールが混合していたりするような液体と液体が混合している場合はそれぞれの物質の沸点の差を利用して蒸留を繰り返して分離することができます。

この方法を、分別蒸留または分留といいます。

互いに交じり合うことのできる2種類の液体ＡとＢ（例えばメチルアルコールと水）の混合液を熱するとそれらの混合の割合によって沸点が変わってきます。

例えば、純粋な水の沸点は100℃ですがこれにメチルアルコールが20パーセント混合した液は100℃よりも低い温度、約82℃で沸騰します。

さらにメチルアルコールの量を多くしていくと混合物の沸点はだんだん低くなり

ついにメチルアルコールだけになるとメチルアルコールの沸点64.7℃で沸騰するようになります。

いろいろな割合に水とメチルアルコールを混合しその沸点をはかって線で結ぶと図のような沸点曲線ができます。

水にメチルアルコールが20パーセント混合した溶液を熱すると82℃で沸騰します（図Ａ）。

このとき発生する蒸気を冷やすとメチルアルコールを58パーセント含んだ混合液が得られます（図Ｂ）。

メチルアルコール58パーセントの混合液を熱すると約72℃で沸騰し（図Ｃ）そのとき発生する蒸気を冷やすと約84パーセントのメチルアルコール溶液が得られます（図Ｄ）。

混合溶液には、このような特別な性質があるのでこの性質を利用して、2つの液を分離するのです。

水とメチルアルコールの混合液を熱するとはじめに蒸気となって出る部分にはメチルアルコールが多く含まれています。

これを容器Ｉに取ります。最後のほうで出てくる液は、水を多く含んでいます。これを容器Ⅱに取ります。

Ｉの容器の液を再び蒸留してはじめに出てくる液Ⅲと、フラスコに残った液Ⅳとに分けます。
Ⅱの液も同じように、はじめに出る液Ⅴとフラスコに残る液Ⅵとに分けます。

Ⅲ液とⅤ液をいっしょにし、Ⅳ液とⅥ液をいっしょにしてそれらをまた蒸留し、前と同じことを繰り返すとメチルアルコールと水とを分離することができます。

抽出による分離

ある物質が液体に溶けているとき、その液体とは溶けあわず溶質だけを溶かす別の液体を加えて溶質だけを溶か出しあとで2つの液体を分離する方法があります。

例えば、コールタールから得られたベンゼンの中にはごく少量のチオフェンという化合物が含まれています。

チオフェンは、たいへんベンゼンによく似た性質の化合物で蒸留しても取り去ることができません。

そこで、チオフェンを含んだベンゼンを分液ろうとに入れ、これに濃い硫酸を加えてよく振るとチオフェンは硫酸に溶解します。

振るのを止めて静置するとチオフェンを溶かした硫酸は比重が大きいので下の層に、ベンゼンは上の層にわかれます。

したがって、分液ろうとのコックを開いて下の層の硫酸を流し出すと、ベンゼンと分離できます。

蒸留による分離

食塩水のように、液体の中に固体が溶けて混合物をつくっているような場合には、この液体を蒸発させて蒸気にし冷やして再び凝縮させると、純粋な液体が得られます。　

このような方法で、純粋な液体を分離する操作を、蒸留といいます。

蒸留は普通、下の図のようにして行います。
えだつきフラスコに約2分の1ぐらいの水（固体などを溶かした水）と2～3個の素焼きのかけら（これを沸騰石といいます）を入れ図のように組み立てて熱します。

水蒸気は、リービッヒコンデンサーで冷やされて蒸留水となり三角フラスコに溜まります。

このとき、水に気体が溶け込んでいるような場合は100℃になる前に気体は逃げ出してしまいます。

また、アルコールなど、揮発性の液体が混合しているような場合は次に説明する分留という方法で分離することができます。

アルコールに固体が溶解しているような場合にもこれを蒸留すると、純粋なアルコールが得られます。

アルコールが、少量の水を溶かしているような場合は生石灰や無水の硫酸銅を入れてよく振り水をこれらの物質に吸収させておいて蒸留すると水分のないアルコールが得られます。

蒸留につにいての注意

①フラスコには、液体を2分の1より多く入れないようにする。
②フラスコを熱するときは、直接炎を当てず、金網をして熱する。

③温度計の球の部分はフラスコのえだの付け根のところにあるようにする。

これはコンデンサーに入る蒸気の温度が何度であるかを読むためであって球の部分がえだの位置より低かったり、高かったりすると温度計の示す温度と違う温度の蒸気がコンデンサーに入ることになる。

④沸点が、100℃より低い物質を熱するときは図のように、水浴（ウォーターバス）を使用する。

⑤フラスコの中には、必ず沸騰石を入れる。
これは、加熱によってフラスコの一部分が強熱され突然沸騰し、大きな泡ができて液体がコソデンサーに飛び込まないようにするためである。

なお、一度使った沸騰石は次の蒸留に使うことはできない。

必ず新しい沸騰石を使うようにする。

⑥えだつきフラスコやコンデンサーに使う栓は液体によって溶かされないものを使わなければならない。

有機溶剤を蒸留するときにゴム栓を使うとゴムが有機溶剤に溶けてしまい純粋な有機溶剤を得ることができない。

⑦コンデンサーに入れる水は、下の口から入れ上の口から出すようにする。

再結晶法

硝酸カリウムやホウ酸などは温度によって溶解度の変化が著しい物質です。　

これらの物質は、高温において飽和溶液をつくり、この溶液を冷やすと溶解度が減少するために、溶質が純粋な結晶として析出してきます。

このように、いちど溶解して冷やし結晶させる方法を再結晶法といいます。

再結晶すると、純粋に近い結晶を取り出すことができます。

例えば、80℃の水100グラムに5グラムのホウ酸を溶かした水溶液を20℃に冷やしたときについて考えてみましょう。

80℃の水100グラムに15グラムのホウ酸を溶かした水溶液は図のＡＧでしめされます。

これは、溶解度ＨＧには達していません。

この水溶液の温度を下げて、60℃にすると飽和溶液ができます。

さらに水溶液の温度を下げて20℃にすると20℃におけるホウ酸の溶解度はＤＥですから今まで水溶液中に溶けていたホウ酸15グラムのうち10グラムは溶けきれなくて結晶となって析出するのです。

また、飽和溶液を熱して水を蒸発させると結晶が析出します。

これは、水の量が少なくなるので溶質の溶ける量が少なくなるからです。

食塩などのように溶解度が温度によってそれほどには変化しない物質は再結晶法より溶液を熱して水を少なくすることによって結晶を取り出す方法がよく用いられます。

再結晶によって、なぜ純粋な物質が得られるのでしょう。
不純物を含んだ硫酸銅の結晶を水に溶かすと硫酸銅も混合している不純物も水に溶解します。
（このとき、不純物が水に溶けないものであればその不純物はろ過によって取り除くことができます）
　　　　　　
一般に、不純物の量は硫酸銅の結晶に比べて少量ですから高い温度にして硫酸銅の飽和溶液をつくっても不純物については薄い溶液なのです。

したがって、この水溶液を冷やしても析出する結晶は硫酸銅ばかりで不純物は溶液に溶けたまま残るのです。

実際には、結晶ができるとき溶液が包みこまれたり、結晶の表面に付着したりするので不純物の全てを取り除くことは難しく２回、３回と再結晶を繰り返すことによってより純粋なものになります。

溶液に他の液体を加えて結晶をつくる方法

水には溶けるが、アルコールには溶けない物質があります。

この物質を水に溶かした溶液にアルコールを加えると物質を溶かしていた水はアルコールに溶け込むので溶質の溶解度加減少し、溶質が結晶となって析出します。

例えば、硫酸第一鉄の濃い水溶液にアルコールを少しずつ加えていくと硫酸第一鉄が析出するので、この方法は硫酸第一鉄の製法に用いられれます。

物質は、常に純粋な形で存在しているとは限りません。
むしろ、混合物となっている場合のほうが多いものです。

そこで混合物から、必要とする物を純粋な形で取り出したり混合物が何種類の物質からできているかを調べることが必要になってきます。

これらの混合物から純粋な物質を分離するにはどんな方法があるかを調べてみましょう。

ふるいによる分離

粒の大きさの違う2種類の個体が混合しているような場合はふるいによってふるいわけます。

比重の違いによる分離

水よりも比重の大きなものと小さなものが混合しているような場合は混合物を水に入れてかきまわすと2つの物質が分離できます。

また、水の代わりに、濃い食塩水の中に入れて浮くものと沈むものとに分離する方法もあります。

さらに、金属の選鉱などのように水の泡の表面に物質をつけて浮かばせる方法もあります。

ろ過による分離

水などの液体の中に、砂や粘土などの溶けない物質が混合している場合があります。

このような場合は混じっている粒の大きさによって布を使って分離したり、ろ紙を使ってろ過したりさらにもっと目の小さいろ過装置を使ったりして分離することができます。

①ろ紙によるろ過の方法

②吸引ろ過による方法

普通のろ過では大変ろ過しにくいものろ過の速度をできるだけ早くしたいときなどに用いられます。

③保温した状態でろ過する方法

常温では、すぐ固体となってしまうような物質をろ過する場合に利用されます。
普通、保温ろうとを使いますが下の図のような方法でも、保温ろ過することができます。

抽出による分離

固体の混合物に、溶媒を加えて溶媒にとける成分だけを溶かし出しろ過して分離する方法があります。

落花生や大豆を小さく砕いて試験管に入れます。
これにエーテルを加えて栓をし（コルク栓をビニル布で包んでで使う）よく振ります。

すると、落花生や大豆に含まれていた脂肪はエーテルに溶けますから溶媒の部分だけを、時計皿に移し、風通しのよいところに置くとエーテルは蒸発し、あとに脂肪が残ります。

このような方法を、抽出といい、これを、自動的に行うにはソックスレーの抽出器というものを使うと便利です。

フラスコの中に、エーテルなどの溶媒を入れ円筒ろ紙の中には、大豆などを細かく砕いたものを入れます。

フラスコを、ウォーターバスで温めると蒸気になったエーテルは図のＡの管を通って冷却器に行きます。

ここで蒸気は冷やされ、液体となって円筒ろ紙の中に落ちます。

このとき、エーテルは脂肪を溶かしサイホンの高さ（図のＢ）まで溜まると自動的にフラスコの中に流れこむようになっています。

このことが、何回もくり返されると脂肪は、大部分がフラスコの中に移りますからエーテルを蒸留して、脂肪を分離することができます。

混合したときの重さの変化

水に食塩を溶かしたとき、物質の重さや体積はどうなるでしょうか。
ビーカーに50グラムの水をはかりとりこれに食塩15グラムをはかって溶かし完全に溶け終わってから混合溶液の重さを測定してみます。

この場合、混合物の重さは水の重さと食塩の重さとの和になることがわかります。

砂糖を水に溶かした場合についても調べてみましょう。
水をビーカーにはかりとり、これに、重さをはかった砂糖を溶かします。

そうすると、混合液の重さは砂糖と水の重さの和になっています。
このことは、気体と気体との混合物についてもいうことができます。

このように、混合物の重さは混合する前の物質の重さの和になるものであって混合したときに重くなるとか、軽くなるとかいうことはおこりません。

これを、重量には加法性がある、といいます。

混合したときの体積の変化】

体積についてはどうでしょうか。

図のように、100立方センチの水と100立方センチのエチルアルコールを混合すると200立方センチにはならず、約185立方センチになります。

水に食塩や砂糖を溶かした場合の体積はどうなるでしょう。
大形の試験管に水と氷砂糖を入れ、ガラス管を通したゴム栓をします。

水面の位置を記録しておき氷砂糖が完全に溶解したあと水面がどうなるかを観察します。

食塩や氷砂糖が溶けたあとはガラス管の水位が低くなっていることがわかります。

このことから、食塩や氷砂糖が溶解した場合は溶解する前の固体と液体の体積の和より混合溶液の体積が小さくなっていることがわかります。

塩酸と水酸化ナトリウムの水溶液を混ぜ合わせるときを調べてみましょう。

40立方センチの塩酸（約20パーセントのもの）をメスシリンダーにはかりとり別のメスシリンダーに、水酸化ナトリウムの水溶液（約20パーセント）を40立方センチはかりとります。

塩酸の中に水酸化ナトリウムの水溶液を静かに注ぐと熱が出ます。

溶液の温度が冷えるまでしばらくまって体積がいくらになったかを測定します。

2つの液を混合したにもかかわらず混合溶液の体積は80立方センチよりも増加しています。

以上の例からわかるように違った種類の固体や液体を混合したときの体積はもとの体積の和になりません。

多くなる場合も、少なくなる場合もあり体積には加法性がないということになります。

測定と誤差

私たちが、ものさしを用いて、ある長さの金属を測定したとします。
1センチの目もりのものさしで測定すれば○○メートル○○センチまでは正しく測定できてもミリまではわかりません。

ミリメートルの目もりのものさしならばミリメートルの単位までは測定できますがそれより詳しくはわかりません。

普通の顕微鏡を使いさらに、電子顕微鏡を使うともっと詳しく測定できますがそれより詳しくは、はかれません。

こうしてみると、金属の本当の長さは永久に測定することができないことになります。

センチの目もりのものさしではミリメートルのけたは目分量でしか読み取れないしミリメートルの目もりのものさしでもミリメートルより小さい単位は読みとれません。

このとき、目分量で読みとった値は、誤差を含む、といいます。
誤差のあらわし方は次の通りです。

　　25.7 cm ± 0.1cm……①
　　25.78 ㎝ ± 0.01cm……②

　は誤差をあらわしています。
この測定では、①よりも②のほうが精度が10倍高いということができます。

メスシリンダーで体積を測定する場合もａ図のようなメスシリンダーで測定したときはｂ図のメスシリンダーで測定したときより、精度は10分の1になります。

また、重さをはかるための上皿天秤は100グラムまではかれるもので±0.1グラムの誤差を含んでいます。
　　　　　　
このように、測定の値にはいつも誤差が含まれています。
絶対に正しい測定というのはできません。

私たちは、測定するとき、誤差がいつもついているということを知っておくことが必要です。

誤差といっても、誤った測定によって得られた値では決してありません。

純物質と混合物

前の章でも述べたように、純粋な物質の沸点や融点を測定してみると常に一定の値をしめすものです。　

これに対して、2種以上の物質を混ぜた混合物は一定の沸点も融点もしめしません。

そこで、一定の沸点と融点を持つ物質を純粋な物質（純物質）といい一定の沸点や融点を持たない物質を混合物ということに決めます。

混合物の沸点

水やアルコールは、その体積の大小に関わらず同じ温度で沸騰することはすでに学びました。

それでは、水とエチルアルコールを混ぜ合わせたものの沸騰する温度すなわち沸点はあるのでしょうか。

水1に対してエチルアルコール1体積の割合に混合したものをフラスコに入れ1～3個の沸騰石を入れ、温度計を入れて熱してみましょう。

そして、時間と温度との関係をグラフに書いてみます。

水やアルコールを別々に熱したときのグラフに比べ一定の沸点をしめさないことがはっきりわかります。

水に溶けているアルコールが全部蒸発してしまうとはじめて100℃の沸点をしめすようになります。

次に、水に食塩を混合した場合の沸点について、調べてみましょう。

20グラムの水に、2グラムぐらいの食塩を溶かした液を大形の試験管に入れ沸騰石を加え、温度計を入れて熱してみましょう。

そして、やはり温度と時間の関係をグラフに書いてみます。

食塩水は、100℃ぐらいから沸騰をはじめますがその温度はだんだん高くなって、106℃ぐらいになるまで上昇を続けます。

食塩水の底のほうに食塩の結晶がでるまで温度は上昇を続け結晶が出ると、はじめて一定の温度になります。

この2つの例からもわかるように2つの物質を混合した場合は一定の沸点をしめさないものです。

これに対し純粋な物質は、一定の沸点をもっています。

混合物の融点

ナフタリソやパラジクロルベンゼンは、一定の融点をもっています。
今、ナフタリンとパラジクロルベンゼンの2物質を混合してその混合物の融点を調べてみましょう。

ナフタリンとパラジクロルベンゼン2グラムの割合で混合し前回と同じ方法で融点を測定します。

グラフを見てわかるように、この混合物は一定の融点を示せません。

純粋な水は、0℃で氷になります。すなわち、氷の融点は0℃です。

水に食塩を溶かした場合や水に砂糖を溶かした場合の融点はどうなるでしょうか。

水の融点を測定したのと同じ方法で、食塩水の融点を測定してみましょう。
水20立方センチに食塩5グラムを溶かし、これを大形試験管に入れて温度計を入れ、寒剤の中に入れて冷やします。

温度と時間との関係をグラフにします。

このグラフから、食塩水は一定の融点をしめさないことがわかります。
　　　　　　．
水に他の物質が溶解したときは、0℃より低い温度で氷ができます。
混合する物質が多くなるにつれて、氷のできる温度はいっそう低くなります。

海の水がなかなか凍らないのや漬物の汁が冬に水が凍るような寒いところでも凍らないのはこのためなのです。

また、純粋な酢酸は16.6℃の融点をもっています。
これに、水を加えると、16.6℃になっても凝固しません。

この水を含んだ酢酸が凍る温度は、加えた水の量によってまちまちです。
これも、混合物が一定の融点をしめさない例の一つです。

このように、純粋な物質はそれが純粋でありさえずれば、どの試料を測定してもいつも一定の融点をしめすのに対し混合物はその混合の割合により融点が異なりグラフに書いた場合も、純粋な物質とは違う温度の下がり方をしたり融点がはっきりしなかったりします。