だいどころの しおを、ひとつまみ てのひらに のせて みましょう。ひとつぶは かたくて、さらさら して います。この ひとつぶの 中は、どう なって いるのでしょう。

しおの つぶの 中では、プラスの でんきを もつ ちいさな つぶと、マイナスの でんきを もつ ちいさな つぶが、かわりばんこに きちんと ならんで います［1］。ブロックを きれいに つんだ かべの ようです。ただし 本当は、目に 見えない ほど ちいさな つぶの はなしです。

ここが だいじな ところです。この つぶは、みずに いれる まえから、もう プラスと マイナスの つぶです。みずが つぶを つくる のでは ありません。みずの ちいさな ぶぶんが、もとから ある つぶに くっつきます［2］。

ひとつまみの塩は、整列した粒の集まり

台所の塩をルーペで見ると、小さな四角い粒に見えることがあります。その粒の中では、ナトリウムイオン（プラスの電気を帯びた粒）と塩化物イオン（マイナスの電気を帯びた粒）が、交互に規則正しく並んでいます［1］。

「水に溶かすと、塩がイオンに分かれる」と思われがちですが、順番は逆です。塩はもともとイオンでできていて、水の中でそれがばらばらになります。水がイオンを作るのではなく、水の分子がすでにあるイオンにくっつくのです［2］。

では、水の分子は、どうやって固く並んだ粒に近づくのでしょうか。

食塩（塩化ナトリウム）の結晶は、ナトリウムイオン（Na⁺）と塩化物イオン（Cl⁻）が交互に規則正しく配列した構造をとる［1］。このため「水に入るとイオンになる」という言い方は、順序としては不正確である。イオンは溶ける前から存在し、水分子はすでに形成されたイオンに付着する、と説明される［2］。

この区別が大事なのは、「溶ける」を「水が塩を化学変化させる」ことだと考えると、次の問いが立たなくなるからだ。つまり、固く並んだ正負のイオンを、水はどんな力で引き離すのかという問いである。

では、水分子には、イオンを引く何があるのか。

みずは、ちいさな ちいさな つぶ（ぶんし）が あつまって できて います。この ぶんしには、プラスに ちかい はしと、マイナスに ちかい はしが あります［2］。

だから みずの ぶんしは、しおの プラスの つぶにも、マイナスの つぶにも、ぎゅっと ひきよせられます。しおの つぶの はしに ある つぶを、みずの ぶんしが まわりから とりかこんで、ひとつずつ ひきはなして いきます［3］。

ブロックの かべから、ブロックを ひとつずつ ぬいて、りょうてで だきかかえる ところを おもいうかべて ください。ぬいた ブロックは、みずの 中で ちらばって いて、かべには もどりにくく なります。ただし 本当は ブロックでは なくて、目に 見えない ちいさな つぶです。つぶが みずの 中へ ちらばるのが、「とける」ということです。

水の分子は、電気のかたよりをもっています。酸素の側がわずかにマイナス、水素の側がわずかにプラスです［2］。この小さなかたよりのおかげで、水の分子はイオンに強く引かれます。

ナトリウムイオンには水分子の酸素の側が、塩化物イオンには水素の側が向いて、まわりを取り囲みます［3］。結晶の表面にあるイオンが、水の分子に囲まれて一つずつ引きはがされ、水の中へ広がっていきます。

囲まれたイオンは、もう結晶に戻りにくい

イオンが水の分子に囲まれることを、水和といいます。囲まれたイオンは、水の中をばらばらに動き回ります。塩が水に消えたように見えるのは、結晶の形が崩れて、粒が目に見えないほど小さく散らばるからです。

ところで、結晶の表面では、はじめにどちらのイオンがはずれるのでしょうか。

水分子では、電気のかたよりがある。これを極性という。酸素側はわずかに負、水素側はわずかに正に帯電する。このため、正のNa⁺には負に傾いた酸素側が、負のCl⁻には正に傾いた水素側が向き、結晶表面のイオンを取り囲む［3］（極性＝きょくせい、水和＝すいわ。水分子に囲まれる現象を水和という）。

この引力が働くから、水分子は結晶を内側からは壊さず、表面のイオンを1個ずつ引き離せる。引き離されたイオンは水分子の殻をまとい、溶液中を動く。「溶ける」とは、水和したイオンへの分離のことである［2］。

ところが、この説明は大筋にすぎない。分子の動きを一つずつ追うと、まだ分かっていないことが出てくる。

しおの つぶの 表めんで、はじめに はずれるのは、プラスの つぶでしょうか。マイナスの つぶでしょうか。

コンピューターで けいさんした けんきゅうでは、マイナスの つぶが さきに はずれる、という けっかが でました。そのあとで プラスの つぶが 外がわに でて、みずが くっつきやすく なる、という ながれです［4］。ただし これは、みずが すこししか ない ときの けいさんです。

この けんきゅうを した 人たちは、しおが とける ことは 毎日 おきる ありふれた ことなのに、つぶの レベルでは まだ よく わかって いない、と 書いて います［4］。ありふれた ことの 中に、まだ だれも 見て いない ところが のこって います。

2013年の計算研究（Klimeşらの論文）は、食塩の結晶の表面に少量の水分子がついた場合を計算しました。水分子はナトリウムイオンのほうを強く引くのに、先に結晶から外れるのは塩化物イオンだ、という結果でした。塩化物イオンが外れると、ナトリウムイオンが表に出て、水がつきやすくなるといいます［4］。

ただし、この計算は水が少ない条件のものです。大量の水の中で起きる全過程を、そのまま示したわけではありません。

論文自身が「最もありふれた日常の現象の一つなのに、分子レベルではまだよく分かっていない」と述べています［4］。塩が水に溶けることは小学生でも知っていますが、その一歩目の動きは、いまも研究の対象です。

では、溶ける量のほうは、何で決まっているのでしょうか。

Klimeš、Bowler、Michaelidesの計算（J. Chem. Phys. 139, 234702, 2013）は、NaCl結晶の表面に少量の水が付いた状態を扱い、水分子との結合がNa⁺のほうがCl⁻より強いにもかかわらず、Cl⁻のほうが先に表面から外れると報告した。Cl⁻が外れるとNa⁺が表に出て、水が付きやすくなるという［4］。

この結果の限界は2つある。第一に、低水量の表面での計算であり、大量の水中の溶解全体を示すものではない。第二に、論文自身が、日常で最もありふれた過程の一つなのに分子レベルではよく理解されていない、と述べている［4］。つまり、前章の水和の説明は結果としては正しいが、どの順で何が起きるかの詳細は研究途上にある。

では、溶けるしくみの全体は未解明でも、「どれだけ溶けるか」はなぜ温度でほとんど変わらないのか。

さとうは、おゆに すると たくさん とけます。みず100グラムに とける りょうは、20どで やく200グラム、100どでは やく476グラムです［7］。2.4ばいに ふえます。

しおは、20どで やく36グラム、100どでも やく39グラムです［1］。20どから 100どまでで、ふえるのは やく3グラム。1わりに たりません。

どうして しおは あまり かわらないのでしょう。しおの つぶを ばらばらに するには、ねつが いります。みずの ぶんしが つぶを かこむと、ほぼ おなじ だけ ねつが でます。この ふたつが ほぼ つりあって いる ことが、りゆうの ひとつと いわれます［5］。

ねつを くわえても、とける りょうを おし上げる ちからが あまり 生まれません。だから、おゆに しても しおは ふえにくい、と かんがえられて います。

同じ水100gに溶ける量を比べる

水100gに溶ける量は、20℃で食塩が約36g、砂糖が約200gです［7］。100℃にすると、砂糖は約476gまで増えます。200gから476gですから、2.4倍弱です。

食塩は、事典に載っている値で、0℃で35.6g、20℃で35.8g、100℃で39.1gです［1］。20℃から100℃までで3.3g増えただけで、増え方は約9%、1割に届きません。

熱の出入りが、ほぼ釣り合っている

食塩を水に溶かすときの熱の出入りは、1mol（約58g）あたり約＋3.9kJと、ごくわずかです［5］。結晶を壊すのにかかる熱（約787kJ）と、水和で出る熱（約784kJ）が、ほぼ打ち消し合うためです。

熱の出入りがほぼゼロなので、温度を上げて熱を足しても、溶けやすさを大きく動かす力にはなりにくい、と考えられます。

では、熱の出入りがほぼ釣り合っているのに、なぜ塩は水に溶けるのでしょうか。

食塩の溶解度は、事典の値で、0℃で35.6g、20℃で35.8g、100℃で39.1g（水100g当たり）である［1］。20℃から100℃への増加は3.3g、約9%にとどまる。一方、砂糖は20℃で約200g、100℃で約476gで、約2.4倍になる［7］。

この差は、溶解の熱収支から説明される。NaClを大量の水に溶かしたときの溶解エンタルピーは約＋3.9kJ/molで、わずかな吸熱にとどまる［5］。結晶を壊すのに要する約787kJ/molと、水和で放出される約784kJ/molがほぼ相殺するためである（格子エネルギー・水和熱の値は資料によって数kJずれる）。

では、熱の出入りがほぼゼロなら、なぜ溶けるのか。一つの学習資料は、溶液中にイオンが散らばって乱雑さ（エントロピー）が増えるためと説明する。ΔG＝ΔH−TΔSで、小さな正のΔHよりTΔSが大きく、ΔGが負になるという［8］。ただしこれは学習サイトの説明で、本稿ではあくまで補足にとどめる。

温度を上げると、エントロピーの項は大きくなる。それでも食塩の溶解度が大きく増えない。熱収支だけでは、温度による溶解度の変化を十分に説明できない。熱収支がほぼゼロであることは理由の一つで、エントロピーの項の効き方との兼ね合いで決まると考えられるが、定量的な説明は一次資料で確かめる必要がある。

では、水以外の液体では、食塩はどうなるのか。

しおは、エタノールには とけにくく、グリセリンには とけます［1］。ふしぎな ちがいです。

みずの ぶんしの ように、つぶを ひきよせる ちからの ある はしを もって いる ものは、しおの つぶを ひきはなせます。あぶらには、そういう はたらきが ないので、しおは とけない、と かんがえられます。

みずに とけた しおは、でんきも とおします。かたまりの しおは とおしません。みずの 中で つぶが 自由に 動けるように なるからです［6］。

食塩はエタノールには溶けにくく、グリセリンには溶けます［1］。水のように、イオンを引きつけるかたよりをもつ液体でないと、結晶のイオンを引きはがしにくいからだと考えられます。

油にはそのかたよりがなく、イオンを取り囲む力がはたらかないので、塩は溶けないと考えられます。ただし、食塩と油の実測値までは、今回の資料では扱っていません。

水の中の塩は電気を通す

固体の食塩は電気を通しませんが、食塩水は通します。水の中で、ナトリウムイオンと塩化物イオンが自由に動けるためです［6］。砂糖水は電気を通しません。

食塩水の電気の通りやすさは、「塩は水に入るとイオンになる」という見方の、身近な手がかりです。

食塩はエタノールには溶けにくく、グリセリンには溶ける［1］。この違いは、溶媒がイオンを溶媒和できるかどうかの違いとして整理できる。水は極性が大きく、水和で結晶のイオン間の引力を埋め合わせられる。一方、極性の小さい液体（油など）は、水のようにイオンを囲む作用が弱いと考えられる。食塩がどれほど溶けるかは液体ごとに異なる（これは「似たものどうしが溶け合う」という一般の原則に基づく推定で、食塩と油の実測値は本稿の資料では扱っていない）。

溶液中の性質にも、同じ見方が当てはまる。固体の食塩は電流を通さないが、食塩水は通す。水中でNa⁺とCl⁻が自由に移動できるためである（電離）［6］。砂糖水は通さない。

ここまでで、溶けることの全体像がつながる。塩はもともとイオンの結晶であり、極性の大きい水が、そのイオンを一つずつ囲んで外す。熱の出入りがほぼ釣り合うので、温度を上げても溶ける量はあまり増えない。

おうちの 人と いっしょに、くらべて みましょう。みずが 入った コップを ふたつ、しお、さとう、小さじを よういします。

ひとつは つめたい みず、もうひとつは 手で さわれる ぐらいの ぬるい みずです。あつい おゆは やけどの もとに なるので、つかいません。

おなじ りょうの みず（たとえば コップ はんぶん）に、小さじで しおを 1ぱい ずつ 入れて、かきまぜます。とけ のこりが でるまで、なんばい 入ったか かぞえます。さとうも、おなじ 小さじで、おなじ りょうの みずに、おなじ ことを やります。

しおは 2つの コップで ほとんど おなじ はずです。さとうは、ぬるい ほうが たくさん 入る かたむきが あります。ただし ぬるい ていどでは ちがいが 小さくて、見わけにくい かもしれません。できた みずは のみません。

家で、塩と砂糖が溶ける量を比べてみることができます。水を入れたコップを2つ用意し、一方は冷たい水、もう一方は手でさわれるくらいのぬるま湯にします。熱湯はやけどのおそれがあるので使いません。

同じ量の水（たとえばコップ半分）に、小さじで塩を1杯ずつ入れてかき混ぜ、溶け残りが出るまで何杯入るかを数えます。砂糖も、同じ小さじ、同じ量の水で同じことをします。

塩は冷たい水とぬるま湯で、ほとんど同じ杯数のはずです。砂糖は、ぬるま湯のほうが多く入る傾向があるはずですが、ぬるま湯の程度では差が小さく、見分けにくいかもしれません。できた水は飲みません。

水の量をコップ4分の1に減らして同じ数え方をすると、塩も砂糖も入る杯数が少なくなるはずです。水の量が溶ける量を決めていることを、数えて確かめられます。

家庭で行うなら、水100mLに塩と砂糖をそれぞれ溶かし、溶け残りが出る直前までの杯数を、冷水とぬるま湯（やけどの心配がない温度）で比べればよい。20℃から100℃への変化が塩で約9%、砂糖で約2.4倍なので、ぬるま湯の程度では差が小さい可能性もある。できた水は口にしない。

一次資料としては、Klimeš, J., Bowler, D. R., Michaelides, A., J. Chem. Phys. 139, 234702 (2013) が読める（arXiv:1312.4708）。論文が「何を計算していないか」を探すと、前章までの説明のどこが未解明かが見えてくる。

溶解エンタルピーの値は資料で数kJずれるので、数値を引くときは、原典の表にある値を直接確かめるとよい。