混合物の分離

混合物から純物質を分離する

私たちの身の回りにある物質は、ほとんどが混合物です。混合物はさまざまな純物質が混じってできています。

混合物からそのなかに含まれる純物質を取り出すことを、分離といいます。

混合物のなかにあるさまざまな純物質はそれぞれ性質が違うので、その性質の差を利用して純物質を分離できます。

なお混合物から純物質を分離しても、純粋な状態で得られることはあまりありません。

そこで分離したあとに、不純物を取り除いて純粋な物質にする操作をします。このように純度の高い物質にする操作を精製といいます。

ろ過

砂と食塩が混ざった混合物から、砂を分離するにはどうしたらよいでしょうか。

食塩は水に溶けますが、砂は水に溶けません。そこで、砂と食塩が混ざった混合物を水に溶かし、これをろ紙の上に注いでみましょう。

ろ紙を2回折り返し、円錐の形をつくります。ろ紙をろうとの中に敷いて、溶液（今回は水）でろ紙を少し湿らせて、ろうとに密着させます。

砂と水溶液をかき混ぜたあと、ガラス棒をろうとの内側につけ、ガラス棒を伝わらせてろ紙の上に流し込みます。

砂はろ紙の上に残り、食塩は水に溶けてろ紙を通過し、ろうとの下にたまります。

ろ紙を使って水に溶ける固体と水に溶けない固体を分離しましたが、このような操作をろ過といいます。

蒸留

食塩水から純粋な水を手に入れるには、どうすればよいでしょうか。

水に固体の食塩が溶けた混合物が食塩水です。食塩水を加熱すると水蒸気が発生します。

水蒸気は水が気体となったものですから、この気体を冷却してもう一度液体に戻し集めると、純粋な水が得られます。

このように、混合物を加熱して目的の物質を気体に変え、そのあと気体を冷却して液体として物質を分離する操作を蒸留といいます。

蒸留を行う装置は下の図のようになります。

蒸留の注意点

蒸留は上のような実験装置で行われることが多いです。この蒸留操作における注意点があるので、確認しましょう。

ここでは、食塩水から水だけを分離する例で説明します。図の番号についての説明を以下に示します。

1　ガスバーナーなどで加熱しますが、枝付きフラスコを直接に加熱して割らないように、金網を敷きます。

2　蒸留操作では枝付きフラスコを用います。

このフラスコ内に液体の混合物（ここでは食塩水）を入れます。このとき、液体の量はフラスコの容量の半分以下にします。液体を入れすぎると、加熱したときに混合物が冷却管の方へ流れてしまうからです。

また、フラスコの底には沸騰石を入れます。沸騰石は液体が突然に急激に沸騰すること（突沸）を防ぎます。

沸騰石は内部に空洞が多くあり空気を含んでいるため、液体が沸点を超えてから急に沸騰するのを予防します。

3　枝付きフラスコの上部から温度計を差し入れますが、この温度計の下端部を枝付きフラスコの枝の位置に合わせます。

これは混合物から発生した気体（ここでは水蒸気）の温度を正確に測るためです。冷却器の方へ流れる気体の温度を測ります。

5　5 は発生した気体を冷やす部分で、リービッヒ冷却器といいます。リービッヒ冷却器はフラスコの枝から斜め下の方向に接続します。このとき、冷却水を下から上に（図では 6 から 7 ）流します。

下から上に流すことで冷却水が冷却器のなかに溜まり、効率よく冷やすことができます。また、気体の流れる方向と水の流れる方向が逆であるのも、冷却効果を高めます。

8　発生した気体は冷却器で液体となり、（図では丸底フラスコですが）三角フラスコなどで回収します。

このとき、集める三角フラスコなどの口は、ゴム栓で密閉せずにアルミ箔などをかぶせます。

ゴム栓で密閉すると、加熱のときにフラスコ内の圧力が高まり、実験装置が破損する危険性があります。圧力が高くならないように、アルミ箔などをかぶせましょう。

10　蒸留を始めると、冷却器からしばらくのあいだ液体が流れ込み続けますが、始めと終わりの液体は回収せず捨てます。

蒸留で得られる液体は、始めと終わりに不純物が多くなりやすいです。

分留

液体の純物質がいくつか含まれている混合物では、純物質の沸点の差を利用し、蒸留することで沸点の低い物質から分離できます。この操作を分留といいます。

液体の混合物を加熱していくと、そのなかで一番沸点が低い物質が気体となります。その物質だけが得られるように加熱温度を調節し、その気体を集め冷却すると、ひとつの純物質が分離できます。

同様にさらに加熱すると、次に沸点の低い物質が気体となるので、これを集めて冷却し分離できます。

原油を加熱して、原油に含まれる軽油・灯油・ナフサ（粗製ガソリン）・石油ガスを分離する操作が分留の例です。

再結晶

溶液の中に溶ける物質の量が温度で変わることを利用して、目的の物質を析出させる操作を再結晶といいます。

例として、塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物を適量の熱水に溶かし、これを冷やしていきます。

塩化ナトリウムは水溶液の温度が下がっても溶液中に溶ける量はあまり変わりませんが、硝酸カリウムは水溶液の温度が下がると溶ける量が減ります。

そのため、硝酸カリウムは水溶液の温度が低くなると溶解できる量が減り、溶けなくなった固体が析出します。一方、塩化ナトリウムは溶解できる量があまり変わらないので、水溶液に溶けたままです。

冷やした水溶液をろ過すると、固体の硝酸カリウムがろ紙に残ります。この再結晶の操作で、塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物から、硝酸カリウムを分離できます。

抽出

混合物を適切な溶媒に混ぜ、目的とする物質を溶かし出して分離する操作を抽出といいます。

お茶の葉に熱湯を注ぐと、お茶の葉に含まれている香りや味の物質が熱湯に溶け出してきます。この現象は抽出の例です。

昇華法

物質の状態が固体から（液体にならずそのまま）気体になる、あるいは気体から（液体にならずそのまま）固体になる変化のことを昇華といいます。

この性質を利用して、混合物から目的の物質を分離する操作が昇華法です。

固体のヨウ素と砂が混じった混合物を加熱すると、固体のヨウ素は気体となります。この気体を集めて冷やすと、気体のヨウ素は再び固体となります。この操作で砂と固体のヨウ素は分離できます。これは昇華法の例です。

ヨウ素を昇華する動画　⇒　科学技術館による実験映像

クロマトグラフィー

クロマトグラフィーとは、固体への吸着力の差を利用して、混合物のなかの物質を分離する操作です。

クロマトグラフィーの例は、ろ紙とインクで実験できます。

ろ紙を細長く切り取り、下部にインクで点をつけます。このろ紙を立てて、インクで点をつけた場所より低い位置で、適切な溶媒に浸します。

すると、溶媒がろ紙の上部へしみ込んでいきます。このとき、インクの点からいくつかの色素の物質が溶けだし、溶媒と一緒に上へ移動します。

色素の種類によってろ紙に吸着する強さが異なるので、時間がたつとそれぞれの色素の物質がろ紙の上に分かれた点になって分離できます。

問題演習

確認テスト1

次の混合物から純物質を分離するために、適切な操作を考えましょう。

1. 海水から水を取り出す。
2. 水性インクの色素をろ紙につけ、そのろ紙の片側を水に浸す。
3. 少量の塩化ナトリウムと硝酸カリウムの混合物から、硝酸カリウムを取り出す。
4. 砂とヨウ素の固体を加熱して、ヨウ素を分離する。
5. 米ぬかや大豆をヘキサンという溶媒に混ぜて、油を取り出す。
6. 砂の混ざった水から、砂を取り出す。
7. 原油から重油、軽油、灯油、ガソリンなどの原料を分ける。

確認テスト2

蒸留の注意点を考えましょう。下の図は蒸留装置の模式図です。

1. ガスバーナーでフラスコを加熱するときに、金網を敷くのはなぜか。
2. 加熱する液体の量は、フラスコの容積の半分以下にする。この理由は何か。
3. 加熱するときにフラスコに入れておくものは何か。
4. 温度計の下端部を、枝付きフラスコの枝分かれの位置に合わせるのはなぜか。
5. フラスコから発生した気体を、5 の冷却器で水を流して冷やす。水の流す向きはどちらか。
6. 冷却器で冷やされ液体になった物質を、ビーカーなどで集める。このときビーカーをゴム栓で密閉してはいけない理由は何か。
7. 蒸留で液体を集めるとき、始めと終わりに得られる液体は集めず捨てる。これはなぜか。

実践問題1（2020本第1問問5）

水道水を蒸留するために、次の手順Ⅰ・Ⅱにより、図 2 のように装置を組み立てた。

手順Ⅰ　蒸留で得られる成分の沸点を正しく確認するために、穴をあけたゴム栓に通した温度計を枝付きフラスコに取り付け、温度計の下端部（球部）の位置を調節した。

手順Ⅱ　留出液（蒸留水）を得るために、受け器の三角フラスコを持ち上げてアダプターの先端を差し込んで、三角フラスコの下に台を置いた。

手順Ⅰに関する注意点（ア～ウ）および手順Ⅱに関する注意点（エ・オ）について、最も適当なものの組合せを、下の①～⑥のうちから一つ選べ。

【手順Ⅰに関する注意点】

ア　温度計の下端部を、水道水の中に差し込む。

イ　温度計の下端部を、水道水の液面にできるだけ近づける。

ウ　温度計の下端部を、枝付きフラスコの枝の付け根の高さに合わせる。

【手順Ⅱに関する注意点】

エ　アダプターと三角フラスコの間を、アルミニウム箔で覆うが密閉はしない。

オ　アダプターの先端を穴のあいたゴム栓に通し、三角フラスコに差し込んで密閉する。

（2020年度センター試験　本試験　化学基礎　第1問問5　より引用）

実践問題2（2019本第1問問2）

次の分離操作ア・イの名称として最も適当なものを、下の①～⑤のうちから一つずつ選べ。

ア　固体が直接気体になる変化を利用して、混合物から目的の物質を分離する。

イ　溶媒に対する物質の溶けやすさの違いを利用して、混合物から目的の物質を溶媒に溶かし出して分離する。

①　吸着　　　②　抽出　　　③　再結晶　　　④　昇華法（昇華）　　　⑤　蒸留

（2019年度センター試験　本試験　第1問問2　より引用）

実践問題3（2016本第1問問7）

物質を分離する操作に関する記述として下線部が正しいものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

①　溶媒に対する溶けやすさの差を利用して、混合物から特定の物質を溶媒に溶かして分離する操作を抽出という。

②　沸点の差を利用して、液体の混合物から成分を分離する操作を昇華法（昇華）という。

③　固体と液体の混合物から、ろ紙などを用いて固体を分離する操作を再結晶という。

④　不純物を含む固体を溶媒に溶かし、温度によって溶解度が異なることを利用して、より純粋な物質を析出させ分離する操作をろ過という。

⑤　固体の混合物を加熱して、固体から直接気体になる成分を冷却して分離する操作を蒸留という。

（2016年度センター試験　本試験　化学基礎　第1問問7　より引用）