高校化学で混合物の分離方法を学習すると、必ず登場するのが「再結晶」です。
再結晶は定期テストだけでなく、共通テストや国公立大学、医学部入試でも頻繁に出題される重要な実験操作です。
しかし、
- なぜ再結晶で物質を分離できるのか分からない
- ろ過との違いが曖昧
- 熱時ろ過が苦手
- 再結晶と結晶化の違いが分からない
という受験生も少なくありません。
再結晶は「溶解度の違い」を利用した分離法です。
この記事では、再結晶の原理や手順、熱時ろ過との関係、大学入試で頻出のポイントまで詳しく解説します。
再結晶とは
再結晶とは、温度による溶解度の違いを利用して物質を精製する方法です。
不純物を含む固体を一度溶媒に溶かし、
その後ゆっくり冷却することで純粋な結晶を取り出します。
高校化学では混合物の分離方法として非常に重要な操作です。
再結晶の原理
再結晶は物質ごとに溶解度が異なることを利用しています。
多くの固体は、
温度が高くなる
↓
よく溶ける
温度が低くなる
↓
溶けにくくなる
という性質を持っています。
この性質を利用して目的物質だけを結晶として取り出します。
溶解度とは
溶解度とは、
一定量の溶媒に溶ける物質の最大量
のことです。
例えば硝酸カリウムは、
温度が高くなると急激に溶解度が大きくなります。
このような物質は再結晶に適しています。
再結晶の流れ
再結晶は次の手順で行います。
① 不純物を含む固体を溶媒に入れる
まず精製したい物質を溶媒に加えます。
通常は水が利用されます。
② 加熱して溶かす
加熱することで溶解度を大きくし、
目的物質をできるだけ溶かします。
③ 熱時ろ過を行う
溶けない不純物がある場合は取り除きます。
この操作を熱時ろ過といいます。
④ 冷却する
ゆっくり冷却すると、
溶解度が低下します。
すると目的物質が結晶として析出します。
⑤ 結晶を回収する
析出した結晶をろ過によって回収します。
通常は吸引ろ過が利用されます。
⑥ 乾燥する
最後に結晶を乾燥させて精製完了です。
なぜ再結晶で精製できるのか
大学入試でよく問われます。
加熱時には目的物質も不純物も溶けています。
その後冷却すると、
目的物質は結晶として析出します。
一方で不純物は溶液中に残る場合が多いため、
純度の高い結晶が得られます。
これが再結晶による精製の仕組みです。
再結晶に適した物質
再結晶には、
温度によって溶解度が大きく変化する物質が適しています。
代表例は、
- 硝酸カリウム
- ミョウバン
- 硫酸銅
です。
入試でも頻出です。
再結晶に適さない物質
温度による溶解度変化が小さい物質は再結晶に向きません。
例えば食塩です。
食塩は温度が変わっても溶解度があまり変化しません。
そのため再結晶による精製効率は高くありません。
熱時ろ過とは
再結晶とセットで出題される重要事項です。
熱時ろ過とは、
加熱したまま行うろ過
のことです。
なぜ熱時ろ過を行うのか
冷却すると目的物質まで析出してしまうからです。
高温を保ったままろ過することで、
溶けない不純物だけを除去できます。
熱時ろ過の目的
- 不溶性不純物の除去
- 目的物質の損失防止
です。
入試では非常によく出題されます。
吸引ろ過とは
再結晶後の結晶回収には吸引ろ過が使われます。
吸引ろ過とは、
減圧してろ過を速くする方法です。
吸引ろ過のメリット
- ろ過時間が短い
- 結晶を効率よく回収できる
- 乾燥しやすい
という利点があります。
溶解度曲線と再結晶
大学入試では溶解度曲線の問題が頻出です。
例えば、
100℃で100g溶ける物質が、
20℃では20gしか溶けないとします。
100℃で100g溶かした後に20℃まで冷却すると、
80gが結晶として析出します。
このような計算問題は共通テストや国公立大学で頻出です。
再結晶と結晶化の違い
混同しやすいポイントです。
結晶化
単に結晶を得る操作です。
再結晶
不純物を除去して純度を高める操作です。
大学入試では区別して出題されることがあります。
大学入試でよく出る問題
再結晶の分野では次の内容が頻出です。
再結晶の原理
溶解度の温度変化を利用する。
熱時ろ過の目的
不溶性不純物を除去する。
吸引ろ過の目的
結晶を効率よく回収する。
再結晶に適した物質
硝酸カリウムやミョウバンなど。
溶解度曲線
析出する結晶量を計算する問題。
よくある間違い
再結晶は沸点の違いを利用する
間違いです。
利用するのは溶解度の違いです。
再結晶と蒸留は同じ
間違いです。
蒸留は沸点の違いを利用します。
熱時ろ過は結晶回収のため
間違いです。
不溶性不純物を除去するためです。
食塩は再結晶に最適
間違いです。
溶解度変化が小さいため再結晶には不向きです。
医学部・難関大学入試で重要なポイント
医学部や難関大学では、
- 熱時ろ過の理由
- 溶解度曲線の計算
- 再結晶の収率
- 再結晶に適した溶媒の条件
が頻出です。
特に、
なぜ冷却すると結晶が析出するのか
を説明できるようにしておきましょう。
まとめ
再結晶とは、温度による溶解度の違いを利用して物質を精製する方法です。
基本的な流れは、
加熱して溶かす
↓
熱時ろ過
↓
冷却
↓
結晶析出
↓
吸引ろ過
です。
代表例として、
- 硝酸カリウム
- ミョウバン
- 硫酸銅
などがあります。
また大学入試では、
- 熱時ろ過の目的
- 吸引ろ過の役割
- 溶解度曲線
- 析出量計算
が頻出です。
再結晶は高校化学の分離操作の中でも最重要テーマの一つです。原理と実験操作をセットで理解し、入試で確実に得点できるようにしておきましょう。
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