人類を支える、現代のスーパー錬金術『分留』

分留 中1理科

混合物の沸点の違いを利用する “蒸留” は、不老不死の薬を作る錬金術のために活用された神の技術でしたよね。

しかし蒸留は、不老不死の薬を作るためだけのものではありません。


蒸留技術はもっともっと奥が深いものであり、何年研究しても足りるものではありません。今も日々、蒸留の性能を高めるために現代の錬金術師(化学者)により研究が進められています


錬金術師が発展させた蒸留技術がなければ、今の便利な社会は絶対にありえないのです。

アルナルドゥス・デ・ビラ・ノバ
アルナルドゥス・デ・ビラ・ノバ。蒸留酒に薬草を加えることで、たくさんのお酒を作ったスペインの錬金術師

今回は、数千年に渡る錬金術師の知恵が詰まった『分留』を学ぶことで、「錬金術は現代でもいかに重要であるか」を学びましょう。


最後に、理解を試す問題集📝も用意しているのでチャレンジしてみること!

神の技術「蒸留」の応用『分留』

不老不死の薬を作るため、ビールやワイン(醸造酒)から蒸留酒を作ることは、非常にシンプルな蒸留で可能でした。


水とエチルアルコール(エタノール)の2種類の液体の沸点の違いを利用するだけで、純粋なエタノールを抽出できます。

蒸留の仕組み

しかし現代では、蒸留はスーパー錬金術『分留』にまで進化し、人類社会の発展に絶対に不可欠な技術になっているのです!

採掘される原油は、混合物

車のガソリン、飛行機の燃料はもちろん、ストーブの灯油やプラスチックの原料まで幅広く利用される石油製品。

車の燃料、ガソリン
ガソリンも、原油から精製される

これら石油製品は、大きな設備を使って採掘される原油から得ることができます。

原油採掘
インドネシアの海底油田 (石油情報センターより)

原油は、動植物の死骸が膨大な時間をかけて変化したものなので、たくさんの化学物質からできています。


つまり、原油は混合物


その原油をうまく分類することができれば、用途にあった石油製品がたくさん作ることができるのです。

  • 石油(LP)ガス(料理やライター)
  • ガソリンナフサ(車やプラスチック)
  • 灯油(飛行機の燃料やストーブ)
  • 軽油(トラックや機械燃料)
  • 重油(工場や発電所、船の燃料)

など、原油から得られるものは全て石油製品と呼ばれます。大地から原油を採掘した後は、原油をこれら石油製品に分けていくことが大切なのです。


原油を石油製品に精製することこそ、産業にとって大切なこと。したがって例えば日本では、

  1. 海外で原油が採掘される
  2. 原油を石油タンカーで日本の製油所へ運ぶ
  3. 製油所で、原油をいろいろな石油製品に分けて集める

というプロセスを経ています。この流れこそ、現代社会のエネルギーを支えているのです。

原油を精製し、様々な石油製品へ

日本の場合、原油はほとんどサウジアラビアなど中東からの輸入に依存しています。

日本は石油をサウジアラビアなど中東に依存している

日本で利用する原油の約87%を、サウジアラビア近くの中東から輸入している状況です。残りはロシアなど。

参考: 化石エネルギーの動向 資源エネルギー庁

石油精製を行う蒸留塔

原油を様々な石油製品にするための石油精製は、製油所と呼ばれる大きな工場で行います。


製油所にはたくさんの設備がありますが、なんと言ってもスーパー錬金術である分留(ぶんりゅう)という技術を使う蒸留塔がメインです。


蒸留塔はまさに、錬金術師の知恵を集約した素晴らしい設備なのです!

根岸製油所の蒸留塔
根岸製油所 JXTGエネルギー

スーパー錬金術『分留』の仕組み

蒸留塔の内部は以下の図のようになっています。上の階層へ行くほど温度が低くなっていく作りです。


低層部は超高温ですが、最も高い部分では約35℃で、夏場の気温と同じくらい。

分留を行う蒸留塔
参考: 石油情報センター

前提として、原油は混合物です。これから取り出したい様々な物質が混ざりあっています。


まず、加熱炉で原油を350℃以上で熱します。かなりの高温であるため、ほとんどは沸騰して気体(石油蒸気)となります。この気体を、蒸留塔の下部へ吹き込みます。

蒸留塔の下部
原油が沸騰してできた気体を石油蒸気とよぶ

気体は蒸留塔を上昇していきますが、一部沸点が高い物質は気体にならず、下に液体として貯まります。これは重油と呼ばれ、船や工場の燃料に使われます。


この時点で、混合物の原油を、

  • 重油 (液体)
  • それ以外の混合物 (気体)

に分離することができました!

重油とそれ以外の分離

蒸留塔では、上へ行くほど温度が低いように制御されているので、沸点の低いものはどんどん気体として上昇していきます。


しかし沸点の高いものは冷えて液体になってしまい、各階に液体として貯まることとなるわけです。つまり混合物を分離するために、蒸留を繰り返しているのです。

分留の仕組み
「①気体にする②冷やして液体にする」のが蒸留。蒸留塔は②を繰り返す装置

例えば240~350℃では、軽油だけが液体になり集められ、トラックや機械の燃料に使われます。その他はまだ気体のままで上昇します。

軽油だけが液体になる
軽油だけ液体になり、他は気体のまま

上階の170~250℃では灯油だけが液体になり集められ、ストーブや飛行機の燃料に使われます。その他はまだ気体のまま上昇します。

灯油だけが液体になる
灯油だけ液体になり、他は気体のまま

上階の35~180℃ではナフサだけが液体になり集められ、ガソリンやプラスチックの原料に使われます。

ナフサだけ液体になる
ナフサだけ液体になり、他は気体のまま

沸点がとても低く、気体であることが多いLPガス(石油ガス)は一番上で集められ、料理やライターに使われます。

LPガスだけが取れる
沸点の低いLPガスは蒸留塔の一番上で集められる

混合物の沸点の違い、言い換えれば「冷えて液体になるタイミングの違い」を利用することで、思うがままの石油製品を取り出しています。


これこそ、現代産業を支えるスーパー錬金術『分留』の技術です。


紀元前から中世頃まで大活躍した錬金術師たちの知恵と技術は、現代では化学者へ受け継がれ、現代の大きな産業を支えているのです。

化学者
化学者は、現代の錬金術師

蒸留に関する問題集

最後に、錬金術の花形技術である蒸留についての理解を深める問題集を解いておきましょう。


前回の回を、完全に学んでおくことは必須です。

問題1.

水とエタノールが1:1の割合で作られた混合物がある。蒸留のための器具を使い、混合物を熱して温度変化を記録してグラフを作った。

蒸留器具と温度変化のグラフ

ア〜エそれぞれの期間に出てくる気体を冷却し、それぞれを試験管に液体として集めた。

蒸留で試験管に集めた液体

①この中で、最もエタノールが多い割合で含まれている試験管はア〜エのうち、どれであると考えられますか?


②また、なぜその試験管に最もエタノールが多く含まれているのでしょうか?

💮解答&解説はここをタップ

答え: ①イ ②エタノールの方が水よりも沸点が低いから


アは、水もエタノールもどちらも沸騰していませんし、気体になるのは自然に蒸発する分だけ。ほとんど気体はできていません。


エは、既に水の沸点まで到達しているので、水もたくさん含まれているはずです。

混合物の温度変化グラフ

「エタノールは沸騰しているが水は沸騰していない」期間である、イとウで迷うはず


イの期間では、エタノールが沸騰を始め、沸騰に熱を使うので温度上昇がかなり少なくなっています。


しかし、ウの期間では温度上昇が少しずつ見られてきました。

温度上昇が小さい期間

これは、

  • の期間…たくさんエタノールが沸騰したので温度上昇が小さい
  • ウの期間…エタノールの沸騰が落ち着き、温度上昇が再開

以上の状況を意味します。


したがって、最もエタノールが含まれているのは、の期間で採取できた液体であると考えられます。


理由は、エタノールの方が沸点が低くて先に沸騰するからですね。

問題2.

水とエタノールを1:1の割合で混ぜた混合物 10cm³ を蒸留しました。冷水に入れた試験管に集まった液体を、A, B, C の試験管に順番に 3cm³ ずつ入れました。

水とエタノールの混合物の蒸留

A, B, Cそれぞれの液体を脱脂綿に濡らし、火を近づけてみました。


①最もよく燃えるのはA, B, C のどれでしょう?


②また、Cに多く含まれる物質は何ですか?

💮解答&解説はここをタップ

答え: ①A  ②水


脱脂綿に含ませて、よく燃えるのはエタノールです。


エタノールは正式名エチルアルコールであり、アルコールの一種。アルコールはよく燃えて危険なので、純粋なアルコールを直接熱することは危険でしたよね?

エタノールの濃度が高い蒸留酒は、不老不死の薬であったことは学びましたよね。


蒸留酒はエタノール濃度が高いので、火を付けるとよく燃えます。

燃える蒸留酒

この性質もあり、「蒸留酒には火の精霊が住んでいる」と考えられていました。これを飲めば、体に火の精の活力がみなぎるということです。


したがって、今も蒸留酒はスピリッツ(魂)と呼ばれます。

水よりエタノールの方が沸点が低いので(100℃と78℃)、最初に沸騰するのはエタノールだけ。


当然、最初に採取できたAの液体には一番エタノールが含まれています。脱脂綿に含ませると、一番よく燃えます。


Cの液体は、混合物を蒸留するとき、最後に集まった液体です。後に沸騰するのは水ですし、最後の方がすでにエタノールはほとんど沸騰しています。


したがって、Cには水が一番多く含まれていると考えられます。

問題3.

赤ワインを蒸留しました。

赤ワインの蒸留

①蒸留の結果、採取できる液体の色は、以下のうちどれでしょう?

  1. 無色透明
  2. うすい赤色
  3. 赤ワインと全く同じ色

②蒸留が終わって、ガスバーナーを消す前には必ずガラス管を抜いておかなければなりません。それはなぜでしょうか?

蒸留の片付け順番

💮解答&解説はここをタップ

答え: ①無色透明  ②液体が逆流し、試験管が割れる恐れがあるから


ワインも水とエタノールの混合物の一種であるため、蒸留して出てくるのはエタノールや水です。


消毒液を見れば分かるように、エタノールは無色透明です。

エタノール

したがって、赤ワインを蒸留してエタノールが出てきた場合も、無色透明です。


赤ワインの赤い色素は、ブドウに含まれる成分であり、一緒に蒸発(沸騰)するわけではありません。

醸造酒であるワインを蒸留したら、ブランデーという蒸留酒になりましたよね。

醸造酒と蒸留酒

ブランデーもウイスキーも、蒸留したての液体は無色透明です。


それを樽で長期間熟成させてから完成するので、最終的には樽の色などが移り、キレイなオレンジっぽい琥珀色になるのです。

ウイスキーの樽

参考: ウイスキーはどうして琥珀色になるのですか?

また、実験が終わるときは、必ず火を止める前にガラス管を抜かなければなりません


混合物の入った試験管を熱しているとき、沸騰による気体が増えており空気も膨張し、試験管内の気圧は高くなっています。その圧力は、採取した液体を下に押し付けています。

火を止める前にガラス管を抜く理由

このときに火を消すと、試験管内が冷え、気体が凝結したり収縮して、急に気圧が低くなります。


その結果、液体を押さえつける力が弱まり、冷たい液体が試験管へ逆流します。

火を消す前にガラス管を抜く理由

液体が逆流してしまうと、試験管は急激な温度差に耐えきれなくなり、パリンと割れてしまう危険があります。

試験管に水が逆流すると割れる危険

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