　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０５．５　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　林　正幸　　メールによる質問の意味　以前にも私のところへ寄せられるメールによる質問については紹介していますが、その意味ないし価値について書いてみます。参考：前回は「自然の本質に触れる質問」でした。　まず質問者が、自分の疑問を文章にすることは、改めて疑問の内容が整理、確認できる機会になります。口頭による質問に比べて、私もくり返し本当に質問したいことを吟味することができます。ちなみに問題集のような質問には、どうして疑問を感じたか、自分ではどこまで調べ考えたかを加えて、再質問させるようにしています。もともと私は答が知りたいだけの質問には関心がないわけです。　メールによる質問は質問者も内容も幅広く、改めて化学教育の中身を構成する参考になります。また返事と併せて、それをどのように展開したらよいかを示唆しています。ただしこれは授業に係わる質問を軽視しているのではありません。それは授業実践を検証する重要な手がかりです。ちなみに、質問者に学習年齢や学習歴も書かせることは重要です。それによって説明が大きく変わってきます。　もっとも意味があるのは、質問を機会に私自身が勉強できるということです。自分が抱く疑問には限りがあり、下手をするとルーチンワーク化の中で疑問を忘れがちです。それが容赦なく打ち破られ、好むと好まざるとに拘わらず勉強に追い立てられます。　そして口頭による質問にその場で即応するのに比べて、じっくり考えて返事ができます。私は返事を書いたら、少し間をおいて検討し、それから返信するようにしています。このとき既成の観念にとらわれていたり、説明が不十分であることに気付くことがしばしばです。この過程で自分自身の思考力が高められるように思います。参考：前にメールによる討論（意見交換）の質が高まることを書いたことがあります。　　　それは科学者の往復書簡に似ています。　最後にメールによる質問は、私のような退職者には貴重な実践の場になります。　以下に最近の２つの事例を紹介します。なお質問と返事の大方は、次のホームページ　　　　http://www.water.sannet.ne.jp/masasuma/ の「高校生の質問とその返事」にあります。ｑ０５－０１３自然現象は、エネルギーが小さくなる方向に変化は起こる？質　問私は大学生です。　自然現象というのは、エネルギーが小さくなる方向に変化は起こる。という定義（？）があります。ところが、吸熱反応というのは、エネルギー（Ｑ）が大きくなっていく現象　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 1 - ですよね？　では、何故、自然現象がこう定義されているのに、その通りにならずに、吸熱反応という現象が起こるんですか？説　明　自然現象がどのような向きに変化するか、これは古くから科学者の関心の対象でした。そして確かに、エネルギーが減少する向きに変化するという考えも生まれました。しかしあなたも指摘しているように、それでは吸熱反応の説明ができません。　多くの自然現象では、それがある向きに変化するなら、その逆向きの変化も存在します。そして関係する自然法則はそれを容認する内容になっています。よく言われるのは、ある変化を撮影し、それを逆回しにしても、つまり時間をさかのぼっても、そこに展開する映像はなんら自然法則に矛盾しないのです。たとえば２階のベランダからボールが落ちるのは、万有引力の法則に基づきます。しかしボールがベランダに向けて上昇していても、万有引力の法則に矛盾しません。誰かが庭でボールを投げ上げたのです。つまり万有引力の法則は、時間が経過するにつれてボールがどちらに向かうかを指定しません。多くの自然現象では、変化の向きは決まっていません。　ところが逆向きに変化しない自然現象があるのです。たとえば高温の物体と低温の物体が接触すると、熱エネルギーは必ず高温から低温に移動し、逆向きには移動しません。隣り合わせの２つの箱の一方に空気が入っており、他方が真空とします。中間の扉を開けると、空気は２つの部屋全体に拡がり、その逆向きの変化は起こりません。これらの現象を法則として表現するには、エントロピーという量を考えます。これはかなり高度な内容ですが、素朴にはよく「乱雑さの程度」と言われます。しかし私は「ばらけの程度」を加えた方がよいと考えています（いずれにしても正確な定義は難しいです）。前者はエネルギー的に乱雑でばらけた状態に、後者は空間的に乱雑でばらけた状態に向かうのです。備考：エントロピーには、個数的に乱雑でばらけた状態も関係します。この種の自然現象は「乱雑さやばらけの程度」が大きくなる向きにのみ変化するのです。　より正確には次のように表現します。　　　　「孤立系のエントロピーは増大する。」孤立系とは物質およびエネルギーの出入りしないという意味です。そしてこの種の現象の特徴は、膨大な個数の粒子が関係することです。　さて私たちが注目する通常の自然現象は孤立系ではありません。そこで注目している現象が起こる部分と、そのまわりの部分に分けます。前者を「系」、後者を「環境」と呼ぶことにします。環境は、そこまで含めれれば孤立系と呼べる範囲とします。たとえは試験管内の系と、実験室内の環境です。こうすると　　　　「系と環境の合計のエントロピーは増大する」と言えます。そして系に条件を付けると、より具体的な自然現象の向きがはっきりしてきます。通常の条件は「定温定圧系」です。つまりその現象で発熱、吸熱が起こっても、やがて環境と熱エネルギーをやり取りして始めと同じ温度になります。また圧力は大気圧で一定と見なせます。　定温定圧系において、発熱変化が起こり系の内部エネルギーが減少し、環境に熱エネルギーを与えたとします。環境は前より大きいエネルギーを粒子間で分け合って持つことが　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 2 - できるようになり、その分だけエントロピーが大きくなります。単純なたとえですが、エネルギーが１しかなければ、ある粒子がそれを持ち、他の粒子はエネルギーがゼロというばらけ状態ですが、エネルギーが２あれば、もっとばらけた状態になれます（この説明はイメージアップのわずかな手助けになるだけです。厳密には熱力学や統計力学の勉強をしてください。ただし、並大抵では本当の理解はできませんよ）。つまり系の内部エネルギーの減少は環境のエントロピーの増加になります。他に系自身のエントロピーの変化があります。したがって定温定圧系においては　　　「系の内部エネルギーが減少し、系のエントロピー増加する向きに進行する」となります。そして系の内部エネルギーが増加しても（吸熱変化）、系のエントロピーの増加が十分に大きければ、その変化は起こるということもあります。熱力学では両者を総合した自由エネルギーという量で考えます。備考：厳密には内部エネルギーではなく、それを含むエンタルピーという量で考えるべき　　　です。　これで一応質問に答えたと思いますが、付け加えたいのは、すべての自然現象の向きが決まっているわけでもないし、また向きが決まっている場合でも、系に付ける条件によってその内容が変わってくるということです。逆なでするようですが、系のエントロピーが減少する例もいくらでもあります。ただしこの場合は環境のエントロピーはそれ以上に増加しますけれど・・・。ｑ０５－０１４べっこうあめが固まるメカニズムはどうなっているか質　問こんばんは。中１の＊＊＊＊です。　理科の実験で、べっこうあめを作りました。淡黄色になった、さとうを冷やすと固まるメカニズムはどういうふうになっていうのか疑問に思いました。砂糖をそのまま熱すると、白く固体のままで、冷やしても、そのままだと思います。砂糖に水を加えることで、そうなるわけがわかりません。お願いします。説　明　ふたつのことが関係します。ひとつは、砂糖（主な成分はショ糖ないしスクロースと呼ぶ物質です）と水が、加熱することにより化学反応を起こします。化学反応とは、物質が別の物質に変化することです。この場合はブドウ糖（グルコースともいう）と果糖（フルクトースともいう）になります。　　　　ショ糖＋水 ―→ ブドウ糖＋果糖しかしブドウ糖と果糖はどちらも白色の固体で、水に溶けると無色です。くわしいことは分かりませんが、別の化学反応も起こって、それでできる物質のために、淡黄色ないし、時間をかけると黄金色、暗赤色などになります。この化学反応はパンを焼くと焦げるときに起こるのと似た反応です。なおこれらの化学反応はべっこうあめをつくるときには完了せず、ショ糖もかなり残ります。　こうしてはじめはショ糖の水溶液であったものが、ショ糖、ブドウ糖、果糖、色がある物質などの混合物の水溶液に変化し、このことがが黄色や、べっこうあめ独特のショ糖だ　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 3 - けとは異なる味を生み出すのです。　もうひとつは、砂糖を水に溶かすと、ある量までは溶解し、それ以上は溶解しないという限度があります。溶解度と呼びます。そして多くの物質の溶解度は、温度が高くなると大きくなります。べっこうあめづくりでは大量の砂糖を使います。したがって加熱してやっと溶解します。それではこの水溶液を冷やすとどうなるでしょうか。温度が低くなって溶解度が小さくなり、やがて水溶液から分かれて固体の砂糖ができ始める（析出と呼び、化学反応ではありません）？　確かに食塩の水溶液ではそうなります。そして砂糖の量がそれほど多くなければそうなります。べっこうあめの場合でも、超ゆっくり温度を下げていけばそうなるはずです。　析出という変化では、溶け切れなくなったショ糖分子が集合して固体になります。しかし温度が低くなるにつれて、分子の動きは次第に遅くなっていきます。またもともとショ糖分子と水分子は、よく引き付け合って仲がよいのです。ましてべっこうあめでは、ショ糖分子と水分子だけでなく、ブドウ糖分子、果糖分子なども居ます。これではすみやかに集合することなどできません。そこで冷えるにつれて分子の動きもにぶくなり、全体が固まってしまうのです。　なお水が無い、砂糖そのものの加熱ですが、白色の固体のままではなく、温度が高くなると、やはりパンを焼くと焦げるときに起こるのと似た化学反応が起きて、いくつかの別の物質に変化します。これに対して食塩（主な成分は塩化ナトリウムという物質です）を加熱すると、８００℃を超えると無色の液体になります。物質としては塩化ナトリウムのままです。そしてこれを冷やすと再び白色の固体の食塩にもどります。この変化も化学反応ではなく、液体になる方は融解、固体になる方は凝固と呼ばれます。　物質の世界（化学）にはいろいろなことがあるのです。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 4 - 林正幸と主万子の始めのホームページ（to our initial Home Page）にもどる。