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身近な素材を生かした 教材の製作と実験の工夫
平成１９年度 中学校教職経験者１０年研修講座 理科分科会（化学分野）資料 【講義と実習】 「身近な素材を生かした 教材の製作と実験の工夫」 平成１９年７月２６日（木） １１：４５∼１３：５５ （休憩 １２：００∼１３：００） 岩手県立総合教育センター 科学産業教育室 化学研修室 １ はじめに 観察・実験は理科指導の命。教材と授業展開が理科指導の醍醐味。 ① ② ③ ④ ⑤ ２ 興味・関心・学習意欲 百聞は一見に如かず 思考する場の設定 日常知（素朴概念）から科学知へ 探究的学習（仮説→検証） 教材の製作 教材は、生徒と教師の対話の材料。魅力ある教材が授業を創る。 ① ② ③ ④ ⑤ ３ 一方向から双方向へ 授業への全員参加 身近な物に科学あり ものづくりの楽しさ 感動こそ変容の源 実験の工夫 成功して次につなげていく実験。失敗から新しいことを学ぶ実験。 ① ② ③ ④ ⑤ 成功→学習の見通しや目的意識 成功→検証実験。実験データからの考察 失敗→実験方法（条件制御など）の検討 失敗→実験技能の習得 失敗→自由試行からの学び 身近な素材を生かした教材の製作と実験の工夫 １ はじめに ∼２つの燃焼反応から∼ (1) ろうそくの燃焼 身のまわりには、さまざまな物質や素材がある。生徒にとって身近な物質や素材を用いて実 験を行えば、実験への興味・関心や学習意欲を高めることができる。 最も身近な素材といえるペットボトルとろうそくを用いて、二酸化炭素が空気より重いか、 軽いかを調べる教材を考えた。しかし、この教材で、二酸化炭素が空気より重いことを示すこ とができるであろうか。 ［準備］２ l ペットボトル２本、粘着テープ（無色透明）、針金、 カッターナイフ、ラジオペンチ、ろうそく(小)３本、 トレー（または大型シャーレ）、ガスライター、 水、ＢＴＢ溶液 ［製作］① ペットボトル２本の底を切り取り、うち１本は胴体 だけ残して上部も切り捨てる。 ② ①のペットボトルのうち、胴体だけのものを下にし て２本をつなぎ、粘着テープで固定する。 ③ ②の中で、３本のろうそくを縦にともせるように、 針金で燭台をつくる。 ［実験］① ② ③ トレーに水を入れ、ＢＴＢ溶液を加えておく。 その中に、針金製の燭台をたてる。 燭台のろうそく３本に点火し、ペットボトルをかぶ せる。（かぶせるときふたをゆるめておき、かぶせた らすぐしっかりふたをする） ④ ３本のろうそくがどの順序で消えるかを観察する。 また、水面の高さ変化や色の変化にも注目する。 針金製の燭台 身近な物質や素材を用いることで、気軽に実験をすることができる。しかし、実際に実験を 進めていくと、期待した結果が得られず、戸惑うこともある。こんなとき、よく気をつけてみ てみると、興味深い理由が潜んでいることを発見することがある。常に、新しい教材を開発し たり、実験方法を工夫したりする心構えをもつことが大切である。 主な気体の密度（空気の密度を１としたときの値） 水素 アンモニア 窒素 空気 酸素 二酸化炭素 0.07 0.60 0.97 1.00 1.11 1.53 - 1 - (2) 水素の燃焼 水素による爆発事故をよく聞く。その危険性を生徒に教える必 要がある。どう危険なのか。よくできた教材がある。 ［準備］ペットボトル(500mlまたは２ l)、ゴム栓（６号）、 ガラス管(φ６mm×約５cm)、カッターナイフ、 コルクボーラー、ゴムキャップ、スタンド、 実験用水素ボンベ、ガスライター ［製作］① ② ２ l ペットボトルの底をカッターナイフで切り取る。 ペットボトルの口にあうゴム栓(６号)にコルクボー ラー（２番）で穴を開け、５cmくらいの先端を加熱処 理したガラス管を差し込む。 ③ これで世に言う「水素三徳実験器」の完成。 ［実験］① ② 「水素三徳実験器」をスタンドに固定する。 ガラス管の先端にゴムキャップをしてから、実験用 水素ボンベからペットボトルに水素を入れる。このと きノズルを使ってできるだけペットボトルの上部に、 静かに水素を入れること。 ③ ゴムキャップをとり、すぐにガスライターでガラス 管の先端から出てくる水素に点火する。 ④ 何が起こるか。２∼３分、よく見て、よく聞く。 ガ ラス管（φ6mm） 約５cm ゴ ム栓（６号） ２ｌペ ットボトル （底を 切り取ったもの ） ※三徳とは（藤木源吾（1950）） ①水素が空気より軽いこと ②水素は自ら燃焼し、炎の色は淡いこと ③空気と混じった水素は爆発すること 「水素三徳実験器」 主な可燃性気体の爆発限界（爆発範囲ともいい、空気中の容積％で示される） 水素 メタン プロパン ブタン メタノール エタノール 4.0∼75 5.3∼14 2.2∼9.5 1.9∼8.5 7.3∼36 4.3∼19 - 2 - ２ 有名なアンモニアの噴水実験 有名なアンモニアの噴水実験だが、ペットボトルではできない だろうか。減圧によってつぶれてしまうのでは？という予想もで きる。それはそれで面白いし、「百聞は一見に如かず」やってみ よう。 ［準備］500mlペットボトル、ガラス管(φ６mm×35cm)、 ゴム栓、コルクボーラー、1000mlビーカー、水、 ＢＴＢ溶液、駒込ピペット、希塩酸、ガラス棒２本、 スタンド、軍手、ゴム手袋、アンモニア ［製作］① ペットボトルの口に合う大きさのゴム栓(６号)にコ ルクボーラーでガラス管を通す穴を開ける。水をつけ ると開けやすくなる。 ② ガラス管を35cm切り取り、先端は両端とも加熱処理 する。軍手を使用。火傷に注意。 ③ ガラス管が冷えてから、①のゴム栓に通す。ガラス 管が折れないように、根元を持ち少しずつ通す。水を つけると通しやすくなる。ゴム手袋などを巻くと滑り にくくなる。 ④ 管の長さをペットボトルにあわせて調整し、「噴水 管」とする。 ［実験］① 500mlペットボトルにアンモニアを捕集し、しっかり とフタをしておく。 （あらかじめ捕集しておく。塩化アンモニウム３ｇと 水酸化カルシウム３ｇの混合物の加熱により十分な 量が得られる。） ② ビーカーに約800mlの水を入れ、緑色のＢＴＢ溶液 を約５ml加えかき混ぜる。溶液の色が黄色になるまで ガラス棒につけた希塩酸を１滴ずつ滴下する。 ③ ①のペットボトルを逆さまにしてフタをとり、すば やく「噴水管」を取り付ける。気体が漏れないように きつく栓をする。 ④ 逆さまのまま、ガラス管を②の溶液中に差し入れ、 水中でガラス管の先端を指でおさえて取り出す。 ⑤ 押さえている指をゆるめるとガラス管に入っている 水がペットボトル内に吸い込まれていくことを利用し て、外の空気は入れないように注意して、水をペット ボトルの中にいれる。 ⑥ ガラス管の先端を押さえたまま、再び②の溶液中に 倒立させ、そこで押さえている指を離す。 ⑦ そこで起こる現象を観察する。 ア ンモニ ア 35mm アンモニアの実験室的製法 2NH４ Cl ＋ Ca(OH)２ → CaCl２ ＋ 加熱 2NH３ ＋ 2H２ O 水(BTB 溶液入り) 噴水になるか？ - 3 - ３ 食塩の「火攻め」＋「電気攻め」 物質を調べる方法はいろいろある。 「火攻め」…加熱してみる。燃えるか。融けるか。反応する か。気体を発生するか。 「水攻め」…水に溶かしてみる。溶けるか。反応するか。気 体を発生するか。水溶液は何性か。 「電気攻め」…電気を通してみる。電気を通すか。電気分解 されるか。 最も身近な固体である食塩を加熱しながら、電気を通してみる。 ［準備］Ｆケーブル（1.6mm、２芯）、延長コード、電球、 スイッチ、電源プラグ、みのむしクリップ、ペンチ、 カッターナイフ、試験管（パイレックス）、食塩、 ハンドトーチ Ｆケーブルを試験管の長さに合わせ、18∼22cmの長 さにペンチで切る。 ② その一端の外被覆をカッターナイフで３cmほど剥ぎ 取る。内被膜の白と黒が逆向きになるように、直角に 曲げ、それぞれ１cmほど内被膜を剥ぎ取る。 ③ 他端の外被膜を８cmほど剥ぎ取る。さらに、黒と白 の内被膜を７cmほど剥ぎ取る。これで「簡易電極」の 完成。 ④ 電球、スイッチ、電源プラグを延長コードで配線し、 ２つの端は、①の「簡易電極」に接続できるようにみ のむしクリップをつけておく。 約3cm ［製作］① 外被 覆 内 被覆 試験管に約５ｇの食塩を入れる。 ①の試験管に「簡易電極」を差し込み、スイッチが ＯＦＦであることを確認してから、電球の回路に接続 する。 ③ 電源プラグを差し込み、スイッチをＯＮにする。電 球の様子を確認する。感電に注意。 ④ ハンドトーチで試験管を加熱し、試験管中の食塩の 様子と電球の様子を観察する。 約8cm ［実験］① ② 「簡易電極」 粒子とその結合からわけた物質の種類 物質をつくる粒子 粒子の結合 固体の性質 物質例 金属原子＋金属原子 金属結合 固体でも電気を通す、展性・延性 鉄、銅 金属原子＋非金属原子 イオン結合 水溶液や液体にすると電気を通す 食塩 共有結合→分子間力 やわらかい、融点が低い 砂糖 共有結合 非常に硬い、融点が非常に高い ダイヤモンド 非金属原子＋非金属原子 - 4 - ４ 確実・簡単カルメ焼き 教科書にも載っているカルメ焼き。簡単そうでなかなかうまく いかない。そちらこちら汚れて後始末も大変。確実で、簡単なカ ルメ焼きの実験方法はないだろうか？ ［準備］片手鍋、少し深めの皿(今回用いたのはφ14cmのもの)、 クッキングシート、割り箸２本、セロハンテープ、 温度計(200℃まで測れるもの)、マジック、白砂糖、 重曹、卵白、水、５ml駒込ピペット、メスシリンダー ポータブルガスコンロ ［製作］① 球部が割り箸の先端より５mmほど上にくるように温 度計を割り箸の上にのせ、セロハンテープで固定する。 ② 105℃と125℃の所にマジックで印を付ける。これを 「温度計付き撹拌棒」と呼ぶ。 ［実験］① 卵白５mlに重曹を少しずつ加えては箸でよくかき混 ぜる。硬さがシュークリーム状になるまでに約15ｇの 重曹を加える。さらに白砂糖2.5ｇ加えてよく混ぜる。 これが「発泡剤」となる。(あらかじめ準備しておく) ② 皿をクッキングシートで覆う。 ③ 片手鍋を斜めに持ち、白砂糖50ｇを入れ、水20mlを 加える。(注：この分量は皿の大きさによる。少なすぎ ると失敗する。) ④ 「温度計付き撹拌棒」でかき混ぜながら、コンロを 中火にし、遠火で加熱する。 ⑤ 沸騰し始めると温度上昇が緩慢になるが、約105℃ 付近から沸騰液の泡切れが悪くなり温度変化が急にな るので温度が上がりすぎないよう注意する。 ⑥ 温度が125℃に達したら加熱をやめ、すぐに②の上 に静かに移す。 ⑦ 20∼30秒の間に泡立ちがおさまるのを待つ。その間 に「温度計付き撹拌棒」の先端に「発泡剤」を大豆く らいの大きさにつけておく。 ⑧ 泡立ちがおさまったら、⑦の撹拌棒で激しく数十回 かき回して「発泡剤」をまんべんなく混ぜ込む。この とき色は白色からうすいクリーム色に変わる。 ⑨ 気体の発生が起こり、粘りが出てきて、かき回して いる「撹拌棒」の跡がはっきり残るようになったタイ ミングで割り箸を抜く。 ⑩ ふくらむ様子を観察する。 「カルメ焼きレシピ」 ◆主材料 白砂糖50ｇ 水20ml ◆発泡剤 卵白５ml 重曹15ｇ 白砂糖2.5ｇ ◆手順 重曹（炭酸水素ナトリウム）の熱分解 鍋に主材料 125℃まで加熱 2NaHCO３ → Na２CO３ ＋ H ２O ＋ CO２ CookingSheetへ 20秒ほど待つ 弱いアルカリ性 石灰水の白濁 塩化コバルト紙の変色 強いアルカリ性 発泡剤投入 激しくかき回す 箸を抜くタイミング - 5 -