化学の華：尿素結晶

紙や木片など、表面が細かな構造を持つものの先端にクリスタルの房がどんどん成長していきます。これは尿素の水溶液が毛管現象により紙や木に浸透して、水分の蒸発により尿素成分が次々と結晶化していく現象です。

「動　画」松かさ(メタセコイヤ)やティッシュペーパーを用いて

□出来上がったものは、化学の華(ケミカルフラワー)として知られているものです。

「動　画」松ぼっくりを用いて

□クリスタルツリー

「動　画」結晶化のスピードを顕微鏡で観察

□実速でも成長が視認できる

「解　説」

毛管現象による結晶の成長：尿素液に加えられた洗剤(界面活性剤)により表面張力が弱められ、溶液が毛管現象によって松かさやペーパーフィルターに浸みこんでいきます。これらの素材は、微細な構造を持ち表面積が大きいため、水分が蒸発しやすくなります。溶解度の大きい尿素が、大量の結晶となって析出してくるというものです。乾燥しやすい先端部に結晶ができ、そこに重なるように次々と結晶の房が成長していきます。まるで白い花が咲いたようになるので、尿素フラワー、ケミカルフラワーなどとも呼ばれているものです。界面活性剤は水の表面張力を弱め、クレンザーは結晶の核をつくりやすくし、洗濯のりは析出した結晶を壊れにくくするための工夫。スライドグラスに尿素液を滴下して顕微鏡で観察すると、爆発的に結晶化していく様子がわかり興味深いものがあります。実験では、白色結晶に蛍光マーカーで着色していますが、コニファーなどの針葉樹を材料にミニクリスマスツリーを作ったりと楽しみが広がる実験です。

身近だが有機化学史上重要な物質：尿素 (NH₂)₂CO は、身近なところでは、乾燥によるひび割れに効くというクリームや肥料に使われ、比較的安価に購入することができます。哺乳類や両生類の尿にも含まれ、成人は毎日約30 gの尿素を排泄しているといわれています。尿素は、水に大量に溶け、20 ℃での溶解度は、108 g/100g水 であり、溶解時には吸熱反応のため溶液が冷たく感じられます。次の熱化学方程式からは、尿素１ mol(約60 g )から、100 g の水が、(15400/4.18)/100 ≒ 36 ℃も温度が下がる計算となります。

　(NH₂)₂CO　＋　aq　=　(NH₂)₂COaq　-　15.4 kJ

この吸熱反応は、硝酸アンモニウムと尿素の混合物による携帯用の冷却パックにも利用されているものです。

工業的には、アンモニア NH₃ と二酸化炭素 CO₂ から高圧低温下で合成(※反応式)され、肥料や樹脂、医薬品など幅広く用いられるようになっています。

2NH₃ + CO₂ → (NH₂)₂CO + H₂O

なお、尿素はドイツの化学者フリードリヒ・ヴェーラーが、無機化合物であるシアン酸アンモニアウムNH₄OCNから初めて有機化合物である尿素を合成することに成功(1828年)したことで、化学史上重要な化合物としても認識されています。

◇実験タイトル：結晶の花を咲かせる＿何となくクリスタルツリー

◇キーワード：溶解度　再結晶　表面張力　毛管現象　クリーピング

◇注意事項

1. コーヒーフィルターは白色のものを用い、形状は適当に工夫すると良い。
2. コーヒーフィルターに析出した結晶は壊れやすいので、始めからあまり移動しないで済む場所を選んで操作する。
3. 湿度が高くなると空気中の水分を吸収して結晶が消えやすくなるので、乾燥した場所に保管する。

◇材　料

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対(！)にしないで下さい。詳細は、次の３書(管理者の単著作物)でも扱っているものが多いので参考にして下さい。