純物質と混合物・分離と精製
20分 Part 1 / Ch1 / Lesson 1
前提レッスン: 0-0-1
到達目標
- 純物質と混合物の違いを説明できる
- 元素・単体・化合物の関係を区別できる
- 分離・精製の方法（ろ過、蒸留、再結晶、抽出、クロマトグラフィー）を原理で説明できる
物質の分類マップ
純物質 = 1種類の物質だけからなる（融点・沸点が一定）。混合物 = 2種類以上の純物質が混ざったもの（融点・沸点が一定でない）。
混合物と純物質の見分け方
| 性質 | 純物質 | 混合物 |
|---|---|---|
| 融点・沸点 | 一定 | 一定でない |
| 密度 | 一定 | 組成により変化 |
| 化学式 | 書ける | 書けない |
よくある誤解
「空気は純物質」→ 混合物です。空気は主に窒素 （約78%）と酸素 （約21%）の混合物です。
元素・単体・化合物の区別
- 元素: 物質を構成する基本的な成分の種類（例: 水素、酸素、炭素）
- 単体: 1種類の元素だけからなる純物質（例: 、）
- 化合物: 2種類以上の元素からなる純物質（例: 、）
同素体: 同じ元素からなる単体でも、構造が異なるもの。
| 元素 | 同素体 |
|---|---|
| 酸素 O | （酸素）、（オゾン） |
| 炭素 C | ダイヤモンド、黒鉛、フラーレン |
| 硫黄 S | 斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄 |
| リン P | 黄リン、赤リン |
覚え方: S・C・O・P（スコップ）の4元素に同素体がある。
分離・精製の方法
| 方法 | 原理 | 用途例 |
|---|---|---|
| ろ過 | 粒子の大きさの差 | 砂と食塩水の分離 |
| 蒸留 | 沸点の差 | 海水から純水を得る |
| 分留 | 沸点の差（複数成分） | 石油の精製 |
| 再結晶 | 溶解度の温度差 | 硝酸カリウムの精製 |
| 抽出 | 溶媒への溶けやすさの差 | ヨウ素をヘキサンで抽出 |
| クロマトグラフィー | 吸着力の差 | インクの色素分離 |
| 昇華 | 昇華性の有無 | ヨウ素の精製 |
分離・精製の方法まとめ
分離法は 「何の違いを利用するか」 で分類すると覚えやすい。沸点の差→蒸留、溶解度の差→再結晶、溶媒への溶けやすさの差→抽出。
例題
例題: 物質の分類
次の物質を「単体」「化合物」「混合物」に分類せよ。
(a) ダイヤモンド (b) 食塩水 (c) 塩化ナトリウム (d) 空気 (e) 鉄
- (a) ダイヤモンド → 単体（炭素Cの同素体、1種類の元素のみ）
- (b) 食塩水 → 混合物（NaClとH₂Oの混合）
- (c) 塩化ナトリウム → 化合物（NaとClの2元素からなる純物質）
- (d) 空気 → 混合物（N₂, O₂, Ar等の混合）
- (e) 鉄 → 単体（Feの1元素のみ）
確認クイズ
Q1 純物質の特徴として正しいものは?
Q2 次のうち混合物はどれか?
Q3 同素体が存在する元素の組み合わせとして正しいものは?
Q4 沸点の差を利用した分離法は?
演習
問1. 海水から純水を得るにはどの分離法が適切か。理由とともに答えよ。
解答・解説
蒸留が適切。
海水中の水(沸点100°C)と溶解している塩(NaCl、沸点1413°C)の沸点の差を利用する。海水を加熱して水を蒸発させ、冷却して液体の水として集める。
問2. 少量のNaClが混じったKNO₃を精製するにはどの方法が適切か。
解答・解説
再結晶が適切。
KNO₃は温度による溶解度の変化が大きく、NaClは小さい。高温の水にKNO₃を溶かし、冷却すると、KNO₃だけが結晶として析出し、NaClは溶けたまま残る。