昆布のねばりが宝石に変わる！アルギン酸ナトリウムで作る人工イクラの化学
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
ぷるぷる、つやつや。まるで本物のイクラのような粒が、たった数滴の水溶液から次々と生まれていく。そんな不思議な実験を、今回は共立女子中学校との交流部活で教えていただきました。実はこの「人工イクラ」、化学の世界ではイオンの結びつきという、とても本質的な現象がぎゅっと詰まった実験なんです。今日はその作り方と、粒がぷるぷるに固まる理由を、じっくりご紹介したいと思います。
科学部同士の「練習試合」、交流部活とは？
千葉大学教育学部附属中学校の科学部では、「交流部活」という取り組みを行っています。外部の学校の科学部にお邪魔して、お互いに実験を紹介し合う、いわば科学部の練習試合のようなものです。今回は共立女子中学校を訪問し、たくさんの刺激をいただきました。その中から、今回は「人工イクラ」の実験をご紹介したいと思います。
まずは材料の準備から
用意するものは、アルギン酸ナトリウム水溶液（1%）、塩化カルシウム水溶液（10%）、アクリル絵の具、300mLビーカー、駒込ピペット、ガラス棒、薬さじです。
では早速作ってみましょう。こちらがアルギン酸ナトリウムです。白い粉状ですね。
これを小さなペットボトルに入れて、蓋を閉めて振ります。水に溶けにくい性質があるため、よく混ざるまで根気強く振り続けました。
絵の具を入れて、着色しました。食紅を使うと、長期保存をする際に色が滲み出てしまうことがあるそうですが、アクリル絵の具なら、色が安定して長期保存がしやすいとのことです。
続いて塩化カルシウムです。分量を測りとってから、
水に入れて混ぜていきます。
駒込ピペットで、色をつけたアルギン酸ナトリウム水溶液を吸い取り、塩化カルシウム水溶液に一滴ずつ垂らしていきます。すると、ぷるんとした人工イクラの完成です！
こちらをバイアル瓶などに入れると、持ち帰ることもできます。見た目もかわいらしく、ちょっとしたお土産気分も味わえる、うれしい工夫ですね。
なぜ、たった一滴で固まるのか？
さて、ここからが本題です。液体だったはずのアルギン酸ナトリウム水溶液が、塩化カルシウム水溶液に触れた瞬間、なぜ一瞬でぷるぷるの粒に変わるのでしょうか。実はこの現象、イオンの結びつきという、化学の面白いしくみで説明できます。
アルギン酸ナトリウムは、昆布やワカメといったかっそう（褐藻）の仲間からとれる、天然の多糖類です。分子の形は、非常に長い鎖のようになっており、この鎖の表面には、マイナスの電気を帯びた部分がたくさん並んでいます。ふだんは、この鎖同士がバラバラに水の中を漂っているため、全体としては「液体」の状態を保っています。
ここに、塩化カルシウム水溶液を加えると、話が変わってきます。塩化カルシウムが水に溶けると、プラスの電気を2つ分持ったカルシウムイオン（Ca²⁺）が生まれます。このカルシウムイオンが、アルギン酸ナトリウムの鎖の上に並んだマイナスの部分に、両手を広げるようにして結びついていきます。1つのカルシウムイオンが、隣り合う2本の鎖を同時につかまえて橋渡しをすることで、たくさんの鎖が次々とがっちり結びつき、あっという間に立体的な網目構造ができあがるのです。
この様子は、化学の世界では「エッグボックスモデル」と呼ばれています。卵パックのくぼみにひとつずつ卵がおさまっていくように、カルシウムイオンがアルギン酸の鎖のすきまにぴったりとはまり込んでいく様子をたとえた、なんとも分かりやすい呼び名です。
そして、この反応が水溶液の表面から内側に向かって一瞬で進むからこそ、ピペットから垂らした一滴が、丸いまま、外側からぷるんと固まっていくのです。これが、まるで本物のイクラのようなつぶつぶの正体というわけです。
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