３回生実験のこと：実験の基礎5

＜概要＞

セスキ炭酸ナトリウムNa₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O（式量226.03）は炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムの複塩で、天然にもトロナなどとして産出する^*1。セスキ炭酸ナトリウムは塩酸に二酸化炭素を発生して溶ける。この反応の量論的な関係を二酸化炭素の発生による質量の変化によって調べる。実験を通してグラフの作成や実験データの取扱い、実験の精度や当量関係への認識を深めるとともに、レポートの書き方の実習を行う。

^*1 セスキ炭酸ナトリウムという名称は、字義通りには1.5倍（= セスキsesqui-）の炭酸根を含む炭酸ナトリウムという意味で Na₂CO₃·2NaHCO₃ という組成を意味する。しかし最初にトロナを分析した Klaprothら(1802)が誤った分析結果を与えたことから、今日も慣用的に用いられている。

＜操作＞

ホールピペットを用いて市販の標定済み5.00 mol/L塩酸^*1 10 mLを100 mLの共栓付き三角フラスコに測り取り、メスシリンダーで水を40 mL取って加える。
三角フラスコと溶液の全体の重さを0.01 gまで精確にはかる（栓の重さも含める）。
ここにセスキ炭酸ナトリウムを0.01 gまで精確に量って加え（最初は0.2 g程度、２回目以降は0.5 g程度）、かるく栓をして振り混ぜる。二酸化炭素の発生がおさまったら、全体の重さを0.01 gまで精確にはかる。
二酸化炭素が発生しなくなるまで（３）の操作を繰り返す（おおむね3.5 g程度必要なはずである）。
さらに１～２回、セスキ炭酸ナトリウム約0.5 gを0.01 gまで精確に量って加え、全体の重さを0.01 gまで精確にはかる。

^*1 試薬瓶に記載されているファクター値fに注意すること。実際の濃度は5 × f mol/Lである。

＜検討＞

加えたセスキ炭酸ナトリウムの総質量m_sと、セスキ炭酸ナトリウムを加えた後の容器と溶液全体の質量の増加量m_vおよび質量欠損 Δm = m_s - m_vを表にまとめよ。
横軸に加えたセスキ炭酸ナトリウムの総質量m_s、縦軸に質量欠損 Δmをとって、グラフ用紙を用いてグラフを書け。
グラフから塩化水素1.00 molと当量（＝塩化水素1.00 molと過不足なく反応する量）のセスキ炭酸ナトリウムの質量を求め、セスキ炭酸ナトリウムの式量から得られる値と比較せよ。
グラフから二酸化炭素発生にともなうセスキ炭酸ナトリウム1.00 g当たりの質量欠損を求め、式量から計算される値と比較せよ。

＜廃棄物処理＞

指針 A に従って処理する。


実験に使用する共栓フラスコ	トロナを加え発泡	ほぼ反応終了

レポートの書き方のこと

この課題は、簡単な実験を行なって、レポートを作成する練習をするというものです。ここでは実験レポートについて、ぼくが学生諸君に強調したい点について述べておこうと思います。なお取り上げている実験課題、セスキ炭酸ナトリウムの塩酸への溶解については、以前紹介したことがあるので参照ください。なおこの課題に関わってぼくの考える「模範レポート」を用意して、例年、皆さんに提供しています。

興味あることを相手に伝える

いろいろ難しいこともあるでしょうが、ともかくレポートというのは、やったこと、考えたことが、相手によく伝わるように書けばよいのです。まずは誰に伝えようとするのかを思い浮かべてもらえばよいでしょう。学生実験の場合は直接的には教員ですが、たぶん10年後の自分を思い浮かべてもらうのがよいと思います。相手はある程度の化学の基礎知識を持ってはいるが、（おそらく10年後の自分がそうであるように）実際の学生実験の事情には疎い。そうした人が自分のやった実験について、どのような点に関心を持つであろうかを考えてみるのです。

このスタンスが高校～大学初年級のレポートと大きく違うところだろうと思います。多くの場合、高校～大学初年級のレポートでは、すでに答えのある問題に対し、どれだけ自分が頑張ったか、知っているかをアピールすることが重要になると思っていいでしょう。でも“プロ”の入り口にさしかかった段階では、それもさることながら、達成した内容がいかに興味深いかにポイントが移行してくるのです。このポイントは分野によっても異なり、たとえば物理化学的な実験では対象とする法則や原理の検証に、有機化学的な実験では生成物の収率と純度に重きが置かれることになるでしょう。

結果を再構成すること

レポートを書くに当たっては、推理小説の最後の一章、関係者一同集まっての大団円を書くつもりになるのがよいでしょう。必ずしもやった順、考えた順に書く必要はないし、あっけらかんと最初から「犯人はこいつだ（収率は20 %だった etc）」と書いた方が、伝わりやすいことも多いのです。その意味で、結果を分かりやすいように再構成する（改ざんではありませんよ！！）ことが大事です。

まずは一端整理してから
レポートの中で込み入った「算数」を始めたり、初等的な量論計算をするのはやめましょう。単純な“化学計算問題”に類することは、一端自分のノートでやって、きちんと計算結果を出してからレポートのまとめにかかるようにしましょう。レポートには計算の原理を整理して述べ、その計算結果を書けばよいのです。実際書いてもらうとわかると思いますが、容量分析の計算式を書き並べることはできても、なぜそこで量論係数 2 を掛けるのではなく割るのかといった事情をきちんと記述するには、それなりの力量を必要とされますし、そこが皆さんの腕の見せどころです。そして計算の手法を明確に示されれば、読者はもし興味があれば自分で計算してみることでしょう。無論、そのために（必要）十分な情報は与えておく必要があります。
経時的な操作・考察を追うのはほどほどに
実験ノートに書いてある事を順に清書したようなレポートは好ましくありません。言い訳めいた記述、冗長な記述は避け、できるだけ直截に核心となる結果を、必要十分に伝えるようにしましょう。同様に自分の思考・考察の変遷をレポートの中で延々と展開するのも避けましょう。よほどの筆力がないと、たいていの場合読み手を疲労させて終わることになります。どうしても書きたければ、最後に「感想」という章に書いてもらってもよいでしょう。

レポートの形式・書式

レポートは、やったこと、考えたことが、相手によく伝わるように書けばいいわけですが、そのための文書の形式は必ずしも自明ではありません。例えば昔は対話形式で書かれたレポートや論文もありましたし、（さかのぼれば論語や孟子、プラトンの対話編などを挙げることができるでしょう。化学の分野で言えばボイルの「懐疑の化学者」）、手紙の形で書かれることもありました（今日でも速報は手紙の形を取ることが多いです）。さまざまな試行錯誤の後、書きやすく、読みやすい形式として今日ではIMRAD型（Introduction - Methods - Results And Discussion）として知られる形式が普及しており、この形式に従ってレポートを書くことが標準となっています。皆さんにもこの形式に従ってもらえるようにお願いします。

「はじめに」
「目的」として、テキストに書いてあるようなことを１行か２行くらい書いて済ましてもいいのですが（「模範レポート」はこの簡易路線で作っています）、できれば実験の背景、動機づけとなることを、コンパクトにまとめて書いておきましょう。学生実験の場合、ほとんど強いられて実験に臨むわけですが、自分なりのやりがい、興味のもてそうなものを、必要があればいろいろ調べて、掘り下げてみて欲しいのです。それが見つからなければしょうがないですが、そうした努力は、これから化学者として立っていこうとするものとして、大事なことだと思います。
「方法」と「結果」
「方法」はできるだけ、そのエッセンスを書き出して、その詳細は「結果」の中で浮かび上がってくるという書き方がよいと思います。「いろいろある内のどの方法を使ったか」「不可能のように見えることを、どうやって可能にしたか」を、思い浮かべながら「方法」を書けばよいでしょう。「方法」ではなく「操作」を書く向きがあるが感心しません。特に箇条書きにした「操作」（レシピ・プロトコル・処方箋）を書き連ねて、「方法」に代えるのはやめましょう。こうした記述法では、それぞれの「操作」に対応した「結果」を別項を立てて記述することになり、記述が冗長になったり、実際にやる予定だったことか、実際にやったことかが不分明になりがちです。「操作」は「結果」の中で、一体のものとして記述することを強く薦めます。
節を立てる
「次に」「それから」という接続詞を使う時、新たに節を立てるべきか考えましょう。一般にこうした接続詞を多用すると、全体として冗長になることが多いようです。その節で何を記述しようとしているのか、内容を端的に表わす“見出し”を付けてみましょう。そして節の見出しを追っていけば、論旨の流れが見えるようにしておくのがよいでしょう。
物理量の書式
物理量の書式は基本、国際単位系 SI に倣いましょう。 SI については計量標準総合センターのサイトにある、国際単位系（SI）第9版（2019）を参照しましょう。なお、誰もが「SI に従え」と言っているようですが、実際がともなわないこともよくある話。たとえば「数値と単位の間にスペースを入れろ」ということになっていますが（認められている例外は角度の°記号）、「10%」という風に、%記号の前のスペースを入れずに記述する人の方が、未だに多いように見受けます（SI では「10 %」とスペースをいれないといけない）。まあおいおい、そうした古い人たちは消えていくことになるのでしょうが、これからの新しい人たちには心しておいてほしいところです。
図・表・数式
図や表、数式については、言い出すと長くなるのですが、取りあえず参照できるように、番号を付けるようにしましょう。図が１枚しかないような場合でも、図 1 という風に番号を振っておくのは良い習慣です。また図や表には説明（キャプション）を付けるようにしましょう。あまり詳細にわたる必要はないですが、図と図のキャプションを見ただけで、本文を追わなくても何の図かがある程度分かるようにしておくのがよいでしょう。また「模範レポート」にあるように、表のキャプションは表の上に、図のキャプションは図の下に付けるのが、自然科学関係では普通です（なぜかはよく分かりませんが、そういう伝統。ビジネス関係の場合はまた違います）。
ワープロの使用
手書きにこだわる学部などもあるようですが、ぼくはワープロを使ってレポートを作成することを強く推奨しています。数年前までは「ワープロを使おう」と言っても、頑固に手書きで出す学生が１人２人いたのですが、昨年あたりからついにゼロになりました。なおほとんどの学生が MS WORD を使用していて、 TeX でレポートを作成する学生は１人いるかどうかという状況です。ただパソコン教室で習うような WORD の基本的な使い方（デザインやスタイルの設定、フォントの選び方などなど）ができていない学生が多く、ここをどのように指導するかは重い課題です（外国語よりこちらの方が重要だと思うのですが・・・）。

2-5 セスキ炭酸ナトリウム（トロナ）の塩酸への溶解