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指導書 - 地球を守る
平成 20 年度 科学的な思考に沿った 環境実験プログラムの開発等業務 解説書（指導書） 平成 21 年 3 月 財団法人 日本科学技術振興財団 1 はじめに この解説書は、環境省と財団法人日本科学技術振興財団が取り交わした契約「平成 20 年度 科学的な思考に沿った環境実験プログラムの開発等業務」に基づき制作された実験プログラ ムの内容に関して報告したものである。 水環境をテーマとして、実験演示の第一人者である米村傳治郎氏の米村でんじろうプロダ クション監修・協力と科学技術館 実験演示スタッフ等により３本の実験プログラムを開発 した。各プログラムはサイエンスショーとしての楽しさは保ちながらも、水の物理的・化学 的性質や地球の水循環をマクロにとらえながら、わたしたちが利用する水がどのように供給 され、また使用した水がどのように処理されるのかなど、水環境の理解に不可欠な科学的要 素を段階的にまた体験的に学べるように配慮した。これらを科学技術館において来館者に対 して実証実験を行い、普及効果を評価すると同時に、実験プログラムの普及のため、各地の 科学館へ赴き実験ワークショップ、実験授業を行った。 この解説書は、実験プログラムの内容、台本についてまとめたものである。 2 平成 20 年度 科学的な思考に沿った 環境実験プログラムの開発等業務 解説書（指導書） 目 次 １. 目的 ·························································································································· 6 ２. 環境実験プログラムの開発 ···························································································· 8 ２-１. プログラム解説書 ································································································· 8 水ってなんだろう ································································································ 9 【Ａ．はじめに】 ························································································· 9 【Ｂ．実験のテーマ】 ··················································································· 9 【Ｃ．実験プログラムの構成】 ······································································· 9 【Ｄ．主な流れ】 ······················································································· 10 わたしたちが使う水 ··························································································· 12 【Ａ．はじめに】 ······················································································· 12 【Ｂ．実験のテーマ】 ················································································· 12 【Ｃ．実験プログラムの構成】 ····································································· 12 【Ｄ．主な流れ】 ······················································································· 13 わたしたちが使った水 ························································································ 15 【Ａ．はじめに】 ······················································································· 15 【Ｂ．実験のテーマ】 ················································································· 15 【Ｃ．実験プログラムの構成】 ····································································· 15 【Ｄ．主な流れ】 ······················································································· 16 ２-２. 各プログラム個別解説 ························································································· 18 冷たいコップが汗をかく［try01］ ····································································· 20 缶潰し実験［try02］ ······················································································· 21 シャーベットをつくろう（過冷却実験）［try03］ ·················································· 24 雨を降らせる［try04］ ···················································································· 27 雨水の浸透モデル［try05］ ·············································································· 30 地下水の流れと川の流れ［try06］ ····································································· 34 水をつくろう（爆鳴気） ［try07］······································································· 36 ドライアイスの不思議［try08］ ········································································ 40 くねくねシート［try09］ ················································································· 40 蒸気で火をつける［try10］ ·············································································· 41 きき水［try11］ ····························································································· 42 ミネラルウォーターの正体（全硬度テスト） ［try12］ ············································ 44 水の泡立ちくらべ［try13］ ·············································································· 45 水道水の正体［try14］ ···················································································· 47 水のごみを集めて固める(汚水の凝集沈殿)［try15］ ·············································· 48 オゾンで浄水［try16］ ···················································································· 49 汚水のろ過実験［try17］ ················································································· 51 汚水のろ過モデル装置［try18］ ········································································ 52 アメンボくん［try19］ ···················································································· 55 逆さまにしてもこぼれない水［try20］ ······························································· 58 巨大シャボン玉をつくる［try21］ ····································································· 60 汚れた水が危険を知らせる （簡易水質測定装置）［try22］ ···································· 61 水質検査［try23］ ·························································································· 64 しょりえもん（小型水再生装置）［try24］ ··························································· 66 しょうのう船［try25］ ···················································································· 68 水・WATER・H2O［vis01］ ············································································ 69 3 水の三態［vis02］ ·························································································· 69 冷たいコップが汗をかく－結露－［vis03］ ························································· 70 地球の水循環［vis04］ ···················································································· 70 緑地と更地の比較写真［vis05］ ········································································ 70 わたしたちの身のまわりの水環境［vis06］ ························································· 71 人が１日に必要とする水の量［vis07］ ······························································· 71 地球上にはどのくらい水があるか［vis08］ ························································· 72 水を調べる（全硬度・残留塩素・COD） ［vis09］ ················································· 73 きき水グラフ［vis10］ ···················································································· 75 おいしい水の条件［vis11］ ·············································································· 75 浄水場のしくみ［vis12］ ················································································· 76 金町浄水場（施設航空写真）［vis13］ ································································· 77 金町浄水場（施設配置図、施設写真） ［vis14］ ····················································· 77 凝集剤のはたらき［vis15］ ·············································································· 78 ろ過のしくみ［vis16］ ···················································································· 79 ダムの水位［vis17］ ······················································································· 79 日本は水輸入大国［vis18］ ·············································································· 80 わたしたちにできること［vis19］ ····································································· 81 アメンボくん ［vis 20］ ·················································································· 82 水は表面張力が強い物質 ［vis21］ ···································································· 82 逆さまにしてもこぼれない ［vis22］ ································································· 82 水再生センターのしくみ［vis23］ ····································································· 83 芝浦水再生センター （施設航空写真） ［vis24］ ················································ 83 芝浦水再生センター （施設内配置図、施設写真） ［vis25］ ································ 84 活性汚泥 ［vis26］ ························································································· 85 活性汚泥の中の微生物 ［vis27］ ······································································· 85 焼却灰 ［vis28］···························································································· 87 生活排水の割合 ［vis29］ ················································································ 87 オイルボール ［vis30］ ··················································································· 89 しょうのう船の作り方 ［vis31］ ······································································· 89 水の構造、水分子の構造 ［vis32］ ···································································· 90 ミネラル水の硬度表 ［vis33］ ·········································································· 90 凝集沈殿 ［vis34］ ························································································· 91 オゾン浄水 ［vis35］ ······················································································ 92 塩素 ［vis36］······························································································· 92 過冷却 ［vis37］···························································································· 92 界面活性剤 ［vis38］ ······················································································ 93 生活排水の汚れの割合 ［vis39］ ······································································· 93 川や海を汚す原因 ［vis40］ ············································································· 94 防水撥水の技術 ［vis41］ ················································································ 94 補足：プログラム台本 ·································································································· 96 環境実験プログラム『水ってなんだろう』 ································································· 98 １－１ 水の三態について ········································································· 100 １－２ 地球の水循環について ··································································· 105 １－３ 身のまわりの水循環について ·························································· 106 １－４ まとめ（わたしたちのまわりの水循環） ··········································· 108 １－５ 水をつくろう（爆鳴気） ································································· 110 環境実験プログラム 『わたしたちが使う水：飲み水と水』················································ 112 ２－０ きき水 ························································································· 113 ２－１ からだに必要な水 ·········································································· 114 ２－２ 水の性質について ·········································································· 115 ２―３ 浄水のしくみ ················································································ 118 ２－４ まとめ（日本は水輸入大国） ·························································· 121 ２－５ 水をつくろう（爆鳴気） ································································ 124 環境実験プログラム 『わたしたちが使った水：生活排水』 ····································· 126 ３－１ 水の性質と洗剤の性質 ··································································· 127 ３－２ 水質調査 ····················································································· 130 4 ３―３ ３―４ ３－５ ３－６ 汚水処理のしくみ ········································································· まとめ（水を汚さない工夫） ·························································· 水をつくろう（爆鳴気） ································································ しょうのう船（希望者のみのオプション） ········································ 5 132 136 138 139 １. 目的 近年、我が国の教育分野においては、環境保全に対する世論の高まりを受けて学習指導要 領等においても環境教育に係わる内容が重要視されてきている。 さらに、昨年度改正された「教育基本法案」においても「環境の保全」が教育目標の柱と して明記されている。 環境省においてはこれまで関係省庁と連携により環境教育に係わる重要施策を実施し、そ の効果も高まりつつある。 しかしながら、これまで実施してきた環境教育は、（1）「自然とふれあう」自然環境教育、 （2）「ゴミ調べ」等に代表される生活環境教育、（3）過去の環境被害（公害）を教える環境 教育等が行われてきたが、今後の環境教育では、 「持続可能で公正な社会の形成に主体的に参 加でき、問題解決能力を持つ市民を育成する」ことを目標とした教育が必要とされつつある。 そのためには国民一人一人が身につけなければならない知見の一つに「科学的な思考」が 上げられる。持続可能な社会の実現には、知識だけでなく、問題を発見し、科学的な思考に 沿った問題解決の方法を見出し、確認し、実践できることが重要な要素であるにも係わらず 「科学的な思考」に沿った環境教育プログラムは存在していない。 そこで本業務では、身近な科学や産業技術等を使った実験演示で、一般の興味を惹き、 「科 学的な思考」を環境教育にどのように反映し、プログラム化できるか等の実験課題を整理し、 「科学的な思考に沿った環境実験プログラム」の開発を行うとともに、その効果的な普及の ための実証事業を行い、科学的な思考に沿った知見を持つ市民の育成を目的とするものであ る。 6 7 ２. 環境実験プログラムの開発 ２-１.プログラム解説書 8 水ってなんだろう 【Ａ．はじめに】 水の三態を説明し、それらがどのように地球上を循環し、わたしたちの身近にどのような姿で存在し ているかを解説するとともに、わたしたちの水環境における雨水利用に注目し、地下水の涵養、枯渇 した河川流域の復活など、健全な水の循環について理解を深める。 【Ｂ．実験のテーマ】 ［１］水の三態について ［２］地球の水循環について ［３］身のまわりの水循環について ［４］わたしたちのまわりの水循環 ［５］水をつくろう 【Ｃ．実験プログラムの構成】 実証実験の所要時間は 30 分を目安に７つの実験で構成。また解説用に６つの補足解説を用意した。 解説用ビジュアルはパソコンからプロジェクター投影、あるいは印刷してフリップにできるよう画 像・アニメーションファイルとした。また、オプションとして３つの関連情報を記載した。 実験内容 オプションプログラム 冷たいコップが汗をかく［try01］ ·············· 20 1.実験 缶潰し実験［try02］ ···························· 21 ドライアイスの不思議［try08］ ················ 40 シャーベットをつくろう （過冷却実験）［try03］·········· 24 くねくねシート［try09］ ························· 40 蒸気で火をつける［try10］ ···················· 41 雨を降らせる［try04］ ·························· 27 雨水の浸透モデル［try05］ ···················· 30 地下水の流れと川の流れ［try06］············ 34 水をつくろう（爆鳴気）［try07］················· 36 解説 水・WATER・H2O［vis01］ ······················· 69 水の三態［vis02］······························· 69 冷たいコップが汗をかく －結露－［vis 03］ ··············· 70 地球の水循環［vis04］ ························· 70 緑地と更地の比較写真［vis05］··············· 70 わたしたちの身のまわりの水環境［vis06］··· 71 9 【Ｄ．主な流れ】 （導入話題） 水はわたしたちのまわりのいろいろな場所にいろいろな姿で存在しています。例えば海や川 も水です。また、雨も水です。雨が降ったら水たまりができますが、時間が経つとなくなり ます。これは、水たまりの水が地面に浸み込みんだり、温められて蒸発したりするからです。 一方、冬など寒い朝に水たまりの水が凍っているときもありますね。 水は液体ですが、冷えて凍ると氷になります。氷は固体ですね。反対に水を温めると水蒸気 という気体になります。水はわたしたちのまわりでどのように存在して、どんな役割をして いるのでしょうか。水のいろいろな変化についての実験をしてみましょう。 １）水・WATER・H2O ［vis 01］ 実験のテーマを紹介。 「水について考えよう！」 ２）水の三態 ［vis 02］ 物質は、三態といって、液体・固体・気体と姿が変わる。 水は H2O というものの液体、冷えて固体になると氷、気体になると水蒸気と呼ばれている。 ３）冷たいコップが汗をかく ［try 01］ わたしたちのまわりの空気中にも、目に見えない水＝水蒸気があることをコップについた水 滴を例に確認する。 ４）冷たいコップが汗をかく－結露－［vis 03］ コップについた水滴は、コップに触れている目に見えない空気中の水蒸気が冷やされて水に なったものであることを確認する。 ５）缶潰し実験［try 02］ 缶の中の水が水蒸気になり大きくなって、中に入っていた空気を押し出しました。中が水蒸 気でいっぱいになっている缶に水をかけると、水蒸気は冷やされて水になって小さくなり、 中に空気がないために缶が潰れてしまうことを確認する。 ６）シャーベットをつくろう（過冷却実験） ［try 03］ 一瞬で水から氷をつくる実験。水は 0℃で氷になるが、静かに冷やすと、０℃以下になって も凍らないことがあることを確認する。 ７）地球の水循環 ［vis 04］ 水は相変化をしながら地球を循環していることを解説する。 ８）雨を降らせる ［try 04］ 降雨装置を使って水の循環を確認する。 ９）緑地と更地の比較写真 ［vis 05］ 降ってきた雨の浸み込むみ方は、地面（土壌の状態）によって異なる。 近年、都市化の影響で森林の木や草原などの植物が減り、地面が更地になり水を含まなくな ることを例にまた、コンクリートやアスファルトの地面や道路では、水が浸み込まず、その 結果、水が従来のように循環しなくなることなどを解説する。 10）雨水の浸透モデル ［try 05］ 緑地と更地に降った雨の水の浸み込み方の違いを実験装置で確認する。 11）わたしたちの身のまわりの水環境 ［vis 06］ 10 地面に降った雨は蒸発する他に、地面の中に浸み込んでいき、時間を経て川の水になる。こ の水もまた海に流れ込む。川の下にも地下水(伏流水)が流れていることを解説する。 12）地下水の流れと川の流れ ［try 06］ 川の水と地下水は水のやりとりをして、川の水量を一定化するはたらきがある。 森林があり、地下水・川の源流が流れるような山はたくさんの水を蓄え、それらの水量を調 節するはたらきがあるため、「緑のダム」とも呼ばれる。 13）水をつくろう（爆鳴気） ［try 07］ 水素と酸素が混じった混合ガス(2:1)が燃やされると、水がつくられる。実験で確認してみる。 11 わたしたちが使う水 【Ａ．はじめに】 「わたしたちが使う水」の性質について説明し、その水が地球上をどのように循環し、わたしたちの もとに届くのか、水道の浄水システムに触れながら解説する。また、水資源の重要性についてバーチ ャルウォーター（仮想水）の考え方で、わたしたちが多くの水を消費していることについて理解を深 める。 【Ｂ．実験のテーマ】 ［１］きき水 ［２］からだに必要な水 ［３］水の性質について ［４］浄水のしくみ ［５］日本は水輸入大国 ［６］水をつくろう 【Ｃ．実験プログラムの構成】 実証実験の所要時間は 30 分を目安に９つの実験で構成。また解説用に 14 の補足解説を用意した。 解説用ビジュアルはパソコンからプロジェクター投影、あるいは印刷してフリップにできるよう画 像・アニメーションファイルとした。また、オプションとして１つの関連情報を記載した。 実験内容 金町浄水場 きき水［try11］ ·································· 42 （施設内配置図、施設写真）［vis14］ ········ 77 ミネラルウォーターの正体［try12］ ··········· 44 凝集剤のはたらき［vis15］ ···················· 78 水の泡立ちくらべ［try13］···················· 45 ろ過のしくみ［vis16］ ··························· 79 水道水の正体［try14］ ························· 47 ダムの水位［vis17］ ···························· 79 水のごみを集めて固める［try15］ ············ 48 日本は水輸入大国［vis18］ ··················· 80 オゾンで浄水［try16］ ·························· 49 わたしたちにできること［vis19］ ··············· 81 汚水のろ過実験［try17］ ······················ 51 汚水のろ過モデル装置［try18］ ·············· 52 水をつくろう（爆鳴気）［try07］················· 36 解説 人が１日に必要とする水の量［vis07］ ········ 71 地球上にはどのくらい 水があるか［vis08］ ········ 72 水を調べる（全硬度）［vis09］ ············· 73 きき水グラフ［vis10］ ··························· 75 おいしい水の条件［vis11］····················· 75 わたしたちの身のまわりの 水環境［vis06］ ················· 71 浄水場のしくみ［vis12］ ························ 76 金町浄水場 （施設航空写真）［vis13］ ······· 77 12 【Ｄ．主な流れ】 （導入話題） 喉が渇くとミネラルウォーターを飲みます。手を洗ったり、料理に使ったり、わたしたちの 生活に水はかかせませんが、使える水と使えない水ってあるのでしょうか。 わたしたちの生活の身近なところに水はあります。水道の蛇口をひねると簡単に水が出てき ます。水はどのようにしてわたしたちのもとに届くのでしょう。 １）きき水 ［try 11］ 精製水（純水） 、水道水、日本のミネラルウォーター、フランスのミネラルウォーターの味比べをする。 ２）人が１日に必要とする水の量 ［vis 07］ わたしたち人間は１日にどれくらいの水が必要なのか？ その量はおよそ 2.5ℓ であり、また、同じ分量が排出されている。 ３）地球上にはどのくらい水があるか ［vis 08］ 地球の水の 97.4％が海水で、淡水(塩分を含まない水)は 2.6％である。 わたしたちが体に取り入れることのできる水は淡水だけである。 ４）全硬度 ［vis 09］ ミネラル(カルシウムやマグネシウム)を多く含む水は硬水、あまり含まない水は軟水である。 さきほど飲んだ水もその硬度は異なるので、パックテストという方法で確認してみる。 ５）ミネラルウォーターの正体 ［try 12］ 「水」といってもＨ₂Ｏだけではなく、何かが溶けていて、それが水の味を左右している。 ６）きき水グラフ ［vis 10］ 水の味くらべの結果を解説する。 ７）水の泡立ちくらべ ［try 13］ 軟水は泡立ちがよいですが、硬水は泡立ちがよくない。ミネラルが多く含まれていると石鹸 の泡立ちがよくないことを確認する。 ８）おいしい水の条件 ［vis 11］ おいしい水の条件について解説する。 ①ミネラルがほどよく溶けている水：コクのあるまろやかな味。 ②炭酸ガスがほどよく溶けている水：さわやかな味。 ③酸素がほどよく溶けている水：まったくないと味が悪い。 ④水温が 10～15℃：温まるとにおいが加わり、冷たすぎると口の中の感覚が麻痺する。 ⑤中性または中性に近い水。 ９）水道水の正体 ［try 14］ 先程飲んでもらったものと同じ水道水と浄水の入ったビーカーにに試薬を入れ、かき混ぜる。 浄水は色が変わらないが、水道水は薄いピンク色に変わる。水道水に塩素が残っているため である。 10）わたしたちの身のまわりの水環境 ［vis 06］ わたしたちが使用する水道水はどこから来るのか画像を見ながら解説する。 11）金町浄水場 （施設航空写真） ［vis 13］ 13 わたしたちが使用する水道水はどこから来るのか。多くは、川や湖などの水が水源となって いるが、そのままでは川や湖などの水を飲むことはできない。 水道水はいったん浄水場というところできれいになってからわたしたちの家庭に届くことを 解説する。 12）金町浄水場 （施設内配置図、施設写真） ［vis 14］ 浄水場にはどのような施設があるのか写真で紹介する。 13）浄水場のしくみ［vis 12］ 浄水場の浄水過程の各ステップについて実験を交えながら解説する。水はまず沈殿池で大き なごみや砂を沈殿させる。そしてポンプに送られる。 14）凝集剤のはたらき ［vis 15］ 凝集のしくみをアニメーションを見ながら解説する。 15）水のごみを集めて固める（汚水の凝集沈殿） ［try 15］ 凝集剤のはたらきを実験で確認する。 16）オゾンで浄水 ［try 16］ オゾン浄水について実験で確認する。 17）汚水のろ過実験 ［try 17］ 凝集実験した水を実際にろ過実験装置を使ってろ過する。 18）汚水のろ過モデル装置 ［try 18］ 「ろ過」のしくみについてモデル装置で確認する。 19）ろ過のしくみ ［vis 16］ 「ろ過」とはにごり粒と水を分けけられることを確認する。 20）地球上にはどのくらい水があるか ［vis 08］ 地球儀とカップの水などを用いて、わたしたちが利用できる水は地球上にどのくらい存在す るかを確認する。 21）ダムの水位 ［vis 17］ ダムは川や湖の水を調節して水をわたしたちの家庭に供給する施設です。真夏の前の写真は 水がたくさんありますが、真夏を過ぎると水はだいぶ減っていることを確認する。 22）日本は水輸入大国 ［vis 18］ 日本は食べ物の多くを外国から輸入しています。ということは水も輸入していると考えられ ることを解説する。 23）わたしたちにできること ［vis 19］ 水を大切に暮らす方法について考える。 24）水をつくろう（爆鳴気） ［ｔｒｙ 07］ 水素と酸素が混じった混合ガス(2:1)が燃やされるときに水がつくられます。実験で確認して みる。 14 わたしたちが使った水 【Ａ．はじめに】 生活排水による水質汚染について説明し、原因のひとつである洗剤による水の汚れについて触れる。 そしてわたしたちの暮らしから排出される「わたしたちが使った水」がどのように、汚水処理されて いるのか「水再生センター」を例にそのしくみを解説する。 【Ｂ．実験のテーマ】 ［１］水の性質と洗剤の性質 ［２］水質調査 ［３］汚水処理のしくみ ［４］水を汚さない工夫 ［５］水をつくろう（爆鳴気） 【Ｃ．実験プログラムの構成】 実証実験の所要時間は 30 分を目安に９つの実験で構成。また解説用に 13 の補足解説を用意した。 解説用ビジュアルはパソコンからプロジェクター投影、あるいは印刷してフリップにできるよう画 像・アニメーションファイルとした。また、オプションとして３つの関連情報を記載した。 実験内容 アメンボくん［ｔｒｙ19］ ···························· 55 活性汚泥［vis026］ ····························· 85 逆さまにしてもこぼれない水［try20］ ········· 58 活性汚泥の中の微生物［vis27］ ·············· 85 巨大シャボン玉をつくる［try21］ ·············· 60 焼却灰［vis28］ ································· 87 汚れた水が危険を知らせる （簡易水質測定装置）［try22］ ··········· 61 生活排水の割合［vis29］ ······················ 87 水質検査［try23］ ······························ 64 オイルボール［vis30］ ·························· 89 しょりえもん［try24］ ···························· 66 わたしたちにできること［vis19］ ··············· 81 オプションプログラム オゾンで浄水［try16］ ·························· 49 1. 実験 水つくろう（爆鳴気）［try07］ ··················· 36 しょうのう船［try25］ ···························· 68 解説 2. 説明 アメンボくん［vis20］ ···························· 82 しょうのう船の作り方［vis31］ ················· 89 水は表面張力が強い物質［vis21］ ··········· 82 界面活性剤［vis38］···························· 93 逆さまにしてもこぼれない［vis22］ ············ 82 水を調べる（COD）［vis09］····················· 73 水再生センターのしくみ［vis23］ ·············· 83 芝浦水再生センター （施設航空写真）［vis24］ ················· 83 芝浦水再生センター （施設内配置図、施設写真）［vis25］ ···· 84 15 【Ｄ．主な流れ】 （導入話題） わたしたちが手を洗ったり、お風呂に入ったり、食器を洗ったり、洗濯をしたりして使った 水は流され、捨てられます。その水はどうなってしまうのでしょうか。 洗ったり、きれいにしたりというときには、石鹸や洗剤を使います。石鹸や洗剤は食べたり 飲んだりはできませんね。石鹸や洗剤は環境にどんな影響があるのでしょう。 １）アメンボくん［ｔｒｙ 19］ 水の表面張力についてアメンボ模型を使って確認する。 ２）アメンボくん ［vis 21］ アメンボ模型が水に浮かべる表面張力とは、分子間力ともいわれ、液体の分子が互いにを引 っ張る力のこと。 ３）水は表面張力が強い物質 ［vis 21］ 水は特に表面張力が強い物質であることを確認する。 ４）逆さまにしてもこぼれない水 ［try 20］ 水槽の中でペットボトルに水を入れ、ふるいでフタをして逆さまに持ち上げるとどうなるか 実験する。 ５）逆さまにしてもこぼれない ［vis 22］ 逆さまにしたペットボトルは表面張力と大気圧によって水がこぼれない。 ６）アメンボくん［try 19］ 水に浮かべたアメンボ模型の近くに洗剤水を垂らすと、水面を走る。 これは洗剤が表面張力を弱くするため、洗剤のない方に逃げるように引っ張られているため。 ７）巨大シャボン玉をつくる ［try 21］ 柄のついた大きなリングを液体に浸して、持ち上げると巨大なシャボン玉ができる。 これは洗剤によって表面張力が弱くなり、水の表面がどんどん広がっていくためである。 ８）汚れた水が危険を知らせる（簡易水質測定装置） ［ｔｒｙ 22］ 水の汚れの原因は、水に溶けている物（溶解物）と溶けていない物（濁り）に大別できる。 電気伝導度率計を用いた水質検査を行い、身のまわりの汚水に溶けている汚れについて確認 する。洗剤は、汚れたものをきれいにするときに使うが、海や川を汚す一番の原因でもある。 ９）水質調査 ［try 23］ 河川の水質調査等の目的で幅広く用いられているパックテストを用いて、水中の有機物を酸 化剤で反応させ、そのときの酸素の量で表すＣＯＤテストを行う。 10）COD（化学的酸素消費量） ［vis 09］ ＣＯＤは、水に溶けている汚れの量の相対的な指標。化学的酸素要求量と呼ばれる。水中の 有機物を酸化剤で反応させる時に必要な酸素量で、有機物が多いほど値が大きい。 11）しょりえもん（浄水装置） ［try 24］ 水が浄化されていく過程をわかりやすく見せられるよう工夫したろ過装置（ろ過材が交換可 能で、要所でろ過剤の機能が目に見えるようにろ過水の溜り部分を設けてある）を用いて、 浄化システムのはたらきを確認する。 16 12）水再生センターのしくみ ［vis 23］ 汚れた水はそのまま海に流されるのではなく、水再生センターできれいにされる。 13）芝浦水再生センター （施設航空写真） ［vis 24］ 14）芝浦水再生センター （施設内配置図、施設写真） ［vis 25］ 水再生センターのしくみを画面と実験装置とで併せて説明する。 15）活性汚泥 ［vis 26］ 人工的に育てられた好気性の細菌類、原生動物など、多くの微生物を入れた汚泥。活性汚泥 の微生物は、汚れを食べて大きくなったり、汚れをくっつけたりして塊になり重くなって沈 む。 16）焼却灰 ［vis 28］ 沈んだ汚泥を脱水焼却して灰にした「焼却灰」を確認する。 17）オゾンで浄水［try 16］ オゾンは極めて強い酸化力があり、有機物の分解、殺菌、脱色、脱臭に利用される。 18）生活排水の割合［vis 29］ 洗剤は、汚れたものをきれいにするのときに使われるが、海や川を汚す一番の原因でもある。 19）家庭でできる水を汚さない工夫［vis 19］ ①食べ残しや油を流さない。 ②米のとぎ汁や風呂の残り湯の再利用。 ③洗剤の使用は適量に。 20）オイルボール［vis 30］ オイルボールと呼ばれる油の塊は、家庭から排出された油などが下水道を流れる間に固まっ てしまったもので、汚水処理施設に悪影響を与えることもある。 21）水をつくろう（爆鳴気）［ｔｒｙ 07］ 水素と酸素が混じった混合ガス(2:1)が燃やされるときに水がつくられることを実験で確認 する。 17 ２-２.各プログラム個別解説 18 19 冷たいコップが汗をかく［try01］ ■実験の目的 わたしたちのまわりの空気中には、水が水蒸気として存在することを冷たいコップに付着 した水滴（霜）で確認する。水に三態があることを確認する実験の一つとして実施する。 ■準備 1) 銅製コップ×２ 5) 水 2) 500mℓ ビーカー×１ 6) ガラス棒 3) 塩（氷の３割） ※銅コップ②にあらかじめ塩、氷、水を入れ てかき混ぜておく。 4) 氷 ※銅製コップは熱伝導率が高く、コップに水 滴（霜）がつきやすい。 ■手順 1) 塩を入れた銅コップ①に氷と水を入れ、ガラス棒でかき混ぜる。 2) コップの外側に水滴（霜）がついている様子を見せる（観客に表面を触らせるとわかりや すい） 。 ※室温や湿度が低く、水滴がコップにつかない場合は、あらかじめ用意しておいた銅コップ ②を提示する。 「この水滴はコップに触れている、目に見えない空気中の水蒸気が冷やされて水になったも のです」 。 ■演示写真 １ 水と氷を混ぜ入れる ２ かき混ぜて見せる ３ コップの表面に水滴がつく ４ 事前に氷に塩をまぜて準備する 20 ５ 室温、湿度が低い場合、事前にコップに氷を用意する ６ 冬の窓、結露の画像を提示 ■解説例 水はわたしたちの生活に欠かせないものですが、さまざまな姿をしています。 物質は、三態といって、 「液体・固体・気体」と姿が変わります。 水はＨ₂Ｏというものの液体、冷えて固体になると氷、気体になると水蒸気と呼ばれます。 水蒸気は空気中にありますが、無色透明で見えません。 空気中の水蒸気を冷やして、水にして取り出してみます。 1) 銅のコップの中に氷を入れます。さらに水を入れます。しばらくすると、コップのまわり に水滴がついてきます。 （室温、湿度によって、事前に氷と水を入れておいたコップを見てもらう） 2) 見て、触ってみてください。コップのまわりに水滴がついていますね。 3) この水滴はコップに触れている、目に見えない空気中の水蒸気が冷やされて水になったも のです。 4) 画像は結露という現象の写真です。窓ガラスが露でくもっています。みなさんの家でも起 きていることですが、冬の寒い日に、外の温度と部屋の温度の差があると、部屋の空気中 の水蒸気が外の空気で冷やされた窓ガラスに触れて液体の水になったのです。 5) コップのまわりの水滴と同じことが起こっているわけです。 缶潰し実験［try02］ ■実験の目的 水の液体の状態と気体の状態（水蒸気）の体積の変化について確認する。水に三態があるこ とを確認する実験の一つとして実施する。 ■準備 1) 丸缶（20ℓペール缶） 7) 皮手袋 2) ミニペットボトル（容量 150mℓ 程度） 8) じょうろ ×３ 3) ガスコンロ 9) 木槌 4) ガスボンベ 10) ブルーシート 5) 大たらい 11) 温度計 6) 板２枚（たらいに渡して缶を載せる） 21 ■手順 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 丸缶（ペール缶）を木槌で叩き、頑丈であることを示す。 丸缶（ペール缶）にペットボトルから水 100mℓを入れる。 ガスコンロに丸缶（ペール缶）をセットし、点火。缶を温める。 参加者から、じょうろで温められた丸缶（ペール缶）に水をかける者３名を募りステージ へ上げる。 缶の口から湯気が出て、温度が 95℃になるのを確認し、火を止め、素早く栓を閉める（火 傷しないように皮手袋を着用する） 。缶の中は水蒸気でいっぱいであることを説明する。 板２枚を渡したたらいに、丸缶（ペール缶）を置く。 ３名がじょうろで丸缶（ペール缶）の側面に水をゆっくりかける。 缶の中の水蒸気が冷やされ、缶は音をたてて潰れる。 ■演示写真 １ 丸缶（20ℓペール缶） ２ 木槌で叩き頑丈であることを示す ３ ペットボトルから水 100mℓを入れる ４ ガスコンロで缶を温める ５ 缶の口から湯気が出て、温度が 95℃になるのを確認 し、火を止め、素早く栓を閉める ６ 缶をたらい台へ移動し、参加者３人にじょうろで缶 の側面に水をゆっくりかけてもらう。水が缶の上面 に溜まると、缶が潰れたときに跳ねてしまうので、側 面へかけるように指示する 22 ７ 「ボン！」と音を立てて缶は潰れるる ９ 木槌は最初に缶を叩くときに利用する ８ 缶は、たらい台の中央に置く ■解説例 1) 水と水蒸気の実験です。水は温まると水蒸気に、水蒸気が冷えると水になります。「缶潰 し実験」では水の入った缶を温めて、水をかけます。 2) ここに円筒状の缶があります。 3) この缶を木槌で叩いてみます。思いきり叩いても、小さい傷ができる程度で頑丈ですね。 この缶を潰してみましょう。 4) 缶の中に水を入れます。 5) 缶をコンロで温めると、上口から湯気が出てくるのが見えますね。 6) さて、この実験は３人の方に手伝っていただこうと思います。（参加者から３名に協力し てもらう） 7) 適当な温度かどうか測ります。95℃です（缶の中の水は水蒸気になり、体積が千数百倍に なっています） 。 8) この缶にふたをして大きなたらいに置きます。 9) じょうろで缶の側面に水をかけてみてください。 「ボン！」と勢いよく缶が潰れますね。 10) これは、缶の中の水が水蒸気になって大きくなって（膨張して）、中に入っていた空気を 押し出しました。中が水蒸気でいっぱいになっている缶に水をかけると、水蒸気が冷やさ れて水になり小さくなります（収縮します）。缶の中の空気がないので、外側の大気圧に よって缶が潰れてしまうのです。 23 シャーベットをつくろう（過冷却実験）［try03］ ■実験の目的 過冷却水を使って一瞬で氷をつくる。水に三態があることを確認する実験の一つとして実施 する。 ■準備 1) クーラーボックス［容量 45－50ℓ］×２（炭 酸水[Ａ]と水[Ｂ]用にそれぞれ用意する） 8) 炭酸水ファイブミニ（中が見やすい ようにラベルを剥がしておく） 2) 金網カゴ ×２(高さ 300mm、巾 210mm ×210mm 程度) ※焼き網とプラスチッ ク網で作成 9) 炭酸水 NUDA 500mℓペットボトル（中を見 やすいようにラベルを剥がしておく） 3) 温度センサー ×４ 10) 純水（イオン交換水）500mℓペットボトル に入れる 4) クラッシュアイス 9kg ×２ 11) ふるい or ザル 5) 塩３kg ×２ 12) 植木皿 6) しゃもじ/おたま（氷と塩の攪拌用） 13) 木槌 ※８・９）は中身の見やすさ、ボトルの扱い やすさから選択した。 7) 氷の粒（凍結核に使用） ●炭酸水[Ａ]、純水[Ｂ] 過冷却の準備 １ クラッシュアイス 9kg と精製塩３kg をクーラーボックスへ 混ぜ入れる ２ なるべく均一に混ざるようにする。塩が固まりになら ないように注意する ３ 水を少しずつ加え、氷が浸る程度に入れる ４ しばらく（室温によるが 10 分程度）おき、水温-15℃程 度とする 24 ５ クーラーボックス[Ａ]はさらに水を加え温度を-11℃まで 調整し、温度が安定するのを確認の上、ラベルをはがし た炭酸水（例：ファイブミニ８本、NUDA２本）を庫内にい れたカゴの中に入れる ６ クーラーボックス [Ｂ]はさらに水を加え、水温を-7℃ まで調整し、温度が安定するのを確認の上、ラベルを はがした純水を庫内にいれたカゴの中に入れる ７ およそ２時間、静かに冷却する。左は温度センサー ８ 金網カゴ ９ 仕込み前の材料 ■手順 1) 水（イオン交換水）はクーラーボックス内の氷水（氷 9kg、塩 3kg）-7℃を目安に設定し、 およそ２時間静かに冷却する。 2) ファイブミニ、炭酸水（キリン NUDA）はクーラーボックス内の氷水（氷 9kg、塩 3kg）-11℃ を目安に設定し、およそ２時間静かに冷却する。 3) 過冷却では、一様にムラ無く均等にゆっくり（60～120 分かけて）冷やすため、水・炭酸 水は金網カゴに入れて水の容器が直接氷に触れないようにする。 4) 【過冷却した炭酸水（NUDA） 】は、演示において、机の角にぶつけるなどの衝撃を与える と中の炭酸水が一気に氷になる様子を確認する。 5) 【過冷却した炭酸水（ファイブミニ） 】は、開栓すると、口から瓶の底へ向かって凍って いく様子を確認する。 6) 【過冷却した純水】は、ふるいに置いた小さな氷の粒（氷核）の上に注ぐとシャーベット 状の氷柱になっていく様子を確認する。 25 ■演示写真 １ 過冷却した炭酸水を取り出す ２ ボトルに衝撃を与えると（木槌で叩くなど）、中の液 体はみるみる凍っていく ３ 小さな炭酸水のボトル（ファイブミニ）を参加者に配る ４ 会場内になるべくまんべんなく配り、一斉にキャップ を開栓する ５ ボトル内の炭酸水が口から底へ向かって凍っていくのを 確認する ６ ペットボトルから過冷却水をザル（ふるい）に置いた 小さな氷の粒（氷核）の上へ注ぐ ７ 注いだ水は下からどんどん凍っていき氷柱を形作る 26 ■解説例 水が冷えると氷に、氷が温まると水になりますが、今から一瞬で氷をつくる実験をします。 水は何℃で氷になるかな？･･･０℃ですね。しかし、静かに冷やすと、０℃以下になっても凍 らないことがあります。この状態を過冷却と呼びますが、高さによっては空の雲の中もこの 状態になります。 1) ペットボトルに入った炭酸水とファイブミニが冷やされています。 2) 炭酸水を木槌で叩いてみましょう。凍っていくのがわかりますね。 3) ファイブミニのボトルのふたを開けてみてください。ふたを開けると液体はみるみるシャ ーベット状に凍ります。 4) 次に、ペットボトルに入った水が冷やされています。 5) ザルに 5mm 角程度の氷の粒を一つ置いてあります。この氷が変化の種になります。 6) 氷の粒の上に過冷却水を注いでみると、水はシャーベット状の柱になって固まります。 水は０℃以下で凍るわけではありません。例えば雲の場合、凍らないままの雲粒だけからな る雲は、-５℃で 80%、-10℃で 50%、-20℃で 10%程度あると言われています。０℃以下にな っても水が凍らないことを「過冷却」といい、純粋な水では-40℃まで凍らないことがありま す。 ※「過冷却」 水の分子は液体の状態では自由に動き回っています。しかし、氷の状態では決まった位置に落ち着いて結晶 化しています。水が氷になるには、水の分子が「自由に動き回る状態」から「決まった位置に落ち着く状態」 にならなければなりません。そのためには、氷の種となる微少な氷の結晶（氷核）が必要ですが、氷核がで きるためにはきっかけとなるわずかなエネルギーが必要になります。ところがゆっくり均一に冷やされると、 このエネルギーが得られなくなり、条件によっては－10℃以下でも凍らない場合があります。物質が液体か ら固体に変わる温度（凝固点）以下の温度でも液体のままでいる状態を過冷却といいます。 この過冷却の水に衝撃を与えたり氷のかけらを入れたりすると、一瞬にして氷に変わるのです。 参考文献：「NGK サイエンスサイト（2004 年 5 月号・日本ガイシ株式会社） 」 雨を降らせる［try04］ ■実験の目的 降雨装置を使って、雨が降るしくみ、雲ができるしくみを例に、水は相変化をしながら地球 を循環していることを確認する。水に三態があることを確認する実験の一つとして実施する。 ■準備 1) 降雨実験装置 9) 氷（クラッシュアイス） 2) アルミビニール温室 10) 塩 （間口 700mm × 奥行 450mm × 高さ 1000mm） 11) さじ（塩を扱う） 3) 背面カバー（プラスチック段ボール・910mm × 12) かき氷器（クラッシュアイスには不要） 700mm） 13) くもり止めスプレー剤 4) 透明カバー 14) ペーパータオル 側面用 410mm × 700mm（2 枚） 前面用 700mm × 700mm（１枚） 15) 線香 5) ジオラマ（山、川、海の模型） 16) チャッカマン（ライター） 6) スチーム式加湿器 （幅 286mm × 奥行 130mm × 高さ 305mm） 17) 火消し瓶 7) 試験管（外寸直径 25mm）×12 ※氷と塩(小さじ２杯、10g 程度)を入れる 8) 試験管板（幅 190mm × 奥行 450mm、 試験管挿入穴 12 ヶ所） 27 ■手順 1) 演示開始前に加湿器のスイッチ（弱）を入れ、実験の 5～10 分前に試験管に氷と塩を入れ る。 2) 実際は陸地からも水は蒸発するが、海から蒸発する水のほうが多い。また、実際は海に降 る雨のほうが多い。 3) 加湿器を稼働開始の５分後に氷の入った試験管ボードをセットする。 4) 次に５～10 分後（室温による）には、試験管の周囲に雲ができる状態になる。 5) 直前に、結露しているカバーの内側を、くもり止め剤を塗布した布かペーパータオルで拭 いて、見通しをよくしておく。 6) 雲を発生させる場合は、装置内に雲をつくるきっかけとなる凝結核となる、線香の煙を入 れると（３秒程度） 、氷の入った試験管ボードの周囲に雲ができる。 ■演示写真 １ 降雨装置の全体 ２ 透明カバーにくもり止めスプレーを塗布する ３ 試験管に氷と塩を入れる ４ 降雨装置を使う実験のタイミングに合わせて、氷と 塩の入った試験管を装置にセットする ５ スチーム式加湿器で加湿された装置内では、試験管に 水滴がつき、雨としてジオラマに降る様子を確認する。 ６ 試験管の周囲に雲ができる状態になる。凝結核と なる線香の煙を装置内に入れると試験管の周囲に 雲ができる 28 ７ 映像カメラで装置内の様子をプロジェクター投影する。雲 ができる様子を確認する ■解説例 1) わたしたちが普段、目にしている水は川や池・湖・沼、そして海があります。目には見え ませんが地面の中や植物の中にも水はあります。 2) これらの水は太陽からの熱によって蒸発して水蒸気になります。暖められ上昇した水蒸気 を含んだ空気の塊は上空で冷やされて、ごく小さい水の粒や氷の結晶（氷晶）になります。 そうして集まったものが雲です。過冷却水滴と氷晶が混ざっていると、過冷却水滴が蒸発 して、氷晶が成長し大きくなり落ちてきます。溶けて落ちてくれば雨、そのまま落ちてく れば雪です。 3) それでは実際に雨を降らせてみましょう。 4) 装置の上の方に氷が入った試験館がセットしてあります。実際の大気中は、上空ほど 温度が低いためです。たくさんの水がある海では、暖かく湿った空気が上昇します。 この装置では、それを加湿器で行います。上空ほど温度が低いので、上昇した空気の 塊の水蒸気は氷の粒や氷晶になります。それが雲です。 5) 雲は核になるものがあるとできやすいので、線香の煙を入れてみると、試験管の近くに雲 が見えるようになります。 6) 雲をつくっている小さな水や氷の粒が成長して重くなり、降ってくるのが雨です。ここで は陸地や川に雨が降るようにしてあります。 ■装置「降雨装置」 1) アルミビニール温室 5)スチーム式加湿器 （幅 286mm × 奥行 130mm × 高さ 305mm） （間口 700mm × 奥行 450mm × 高さ 1000mm） 6) 試験管（外寸直径 25mm）×12 2) 背面カバー（プラスチック段ボール・910mm × 700mm） ※氷と塩(小さじ２杯、10g 程度)を入れる 3) 透明カバー 側面用 410mm × 700mm（2 枚） 前面用 700mm × 700mm 7) 試験管板（幅 190mm × 奥行 450mm、 試験管挿入穴 12 ヶ所） 4) ジオラマ（山、川、海の模型） ジオラマサイズ： 幅 640ｍｍ × 奥行 340mm × 高さ 140mm 蒸気通過口用アクリルパイプ： 直径 130ｍｍ、高さ 70mm 29 透明カバー アルミビニール温室 ジオラマの作成：ウレタンフォームを重ねて作成、手前 は加湿器の吹き出し口用の穴 試験管ボード。板に穴を開けて試験管を通す。 加湿器を設置（奥、背面パネルはプラスチック段ボール を使用） 試験管ボードに氷と塩を入れてセット 雨水の浸透モデル［try05］ ■実験の目的 雨水の浸透と植物・樹木による土地の保水力について、スポンジを土壌に見立てて説明する。 保水の条件と影響について確認する。 30 ■準備 1) スポンジシート ×２ 6) 防水ライト 2) トロ箱(1200mm×900mm) 7) 撥水スプレー 3) スポンジ載せ台(足×３、ポリカーボネイ ト波板、網) 8) 洗剤 少々 9) POP「乾いた土壌」「湿った土壌」 4) 高さ調節板×２ 5) じょうろ ×２ ■手順 1) 装置を用意する。 2) 傾斜をつけて波板（スポンジの設置は水を含ませた後）を設置する。 3) 「乾いた土壌」のスポンジは防水スプレーを吹き付けて装置に置く。「湿った土壌」のス ポンジは界面活性剤入りの洗剤を 1、2 滴入れた水につけて、水を含ませてから装置に置 く。 4) 二つのスポンジシート「乾いた土壌」「湿った土壌」にじょうろで水をかける。 5) それぞれのスポンジに水が浸透する様子を確認する。 6) 植物がある（＝湿った土壌）地面 と、植物が無い（＝乾いた土壌）地面の水の浸透の違い、 土壌の保水力の重要性について説明する。 ■演示写真 １ 雨水の浸透実験装置 ２ 「湿った土壌」スポンジシートに水をたっぷり含ませる ３ 「湿った土壌」スポンジシートに水を注ぐ ４ 「湿った土壌」では、水はスポンジの下へ浸み込んで いく。装置の周囲に参加者が集まれない場合は、カメ ラでその様子をプロジェクター投影して確認する 31 ５ 「乾いた土壌」スポンジに水を注ぐ ６ スポンジ表面を水が流れ落ちていく ■解説例 1) 先程の雨を降らせる装置の模型に緑地と更地がありましたが、実は降った雨水の浸み込み 方が異ななります。実験で確認してみましょう。 2) 大きな箱に透明な波板とスポンジを載せてあります。片方のスポンジには水を充分に含ま せ、緑地のような湿った地面に見立て、もう片方は水を含ませずに、更地のような乾いた 地面に見立てます。 3) じょうろで同時に水をかけてみます。どちらのスポンジに水が浸み込みやすいと思います か。実験で確かめてみましょう。 4) 水を含ませていない方のスポンジは水がスポンジの上を滑って流れますが、水を含ませて いる方のスポンジは水が浸み込んでスポンジの下の波板から流れ出てきます。 5) 植物や樹木がある緑地は植物が水を含むため（保水力がある）、土壌が湿っていて水が地 面に浸み込みやすくなっています。そのため、地下に水を蓄えたり、川の水量を調節した りできるのです。 6) 更地は土壌が乾いていて水が地面に浸み込みにくいため、水を蓄えることができず、土砂 災害も起こりやすくもなります。 7) 植物・森林がある山では、土壌（地下）に浸み込んだ水を蓄えたり、水量を調節したりす る機能をはたすので、 「緑のダム」とも呼ばれます。 ■装置 雨水の浸透装置のつくり方（１） 32 雨水の浸透装置のつくり方（２） ●雨水の浸透装置 部品サイズ、 ・A：ゲート載せ台 ・B：スポンジ ・C：スポンジ載せ板 ・D：プラスチック製網 ・E１：高さ調整板 ・E２：高さ調整板 ・F：波板 ・G１：波板載せ台 ・G２：波板載せ台 ・G３：波板載せ台 ・H：トロ箱 幅 900mm × 高さ 125mm × 奥行 50mm 幅 300mm × 高さ 20mm × 奥行 1,100mm（２枚） 幅 55mm × 高さ 10mm × 奥行 1,100mm （３枚） 幅 650mm × 奥行 1,100mm 幅 900mm × 高さ 50mm × 奥行 50mm 幅 900mm × 高さ 25mm × 奥行 50mm 幅 650mm × 奥行 1,100mm 幅 900mm × 高さ 118mm × 奥行 50mm 幅 900mm × 高さ 109mm × 奥行 50mm 幅 900mm × 高さ 100mm × 奥行 50mm 幅 900mm × 高さ 205mm × 奥行き 1,200mm スポンジ載せ台 スポンジ載せ板 スポンジ下を見やすくするように、防水ライトで照らす 33 地下水の流れと川の流れ［try06］ ■実験の目的 地下水の流れと川の流れる速さを比較し、地下水は土壌にゆっくり浸透し蓄積されること、 雨が降ってもいったん地下に浸透し、時間を経て地表に出て川の水になるため、川の水量を 調節するはたらきがあることを確認する。 ■準備 1) パイプ装置 6) 1ℓビーカー ×４（水入れ用、受け用 各２） 2) 砂 1kg 7) 地下水の流れ背景図 3) 漏斗 ×２ 8) 川の流れ背景図 4) スタンド ×２ 9) 背景ボード用スタンド ×４ 5) スタンド抑えリング ×２ ■手順 1) 2) 3) 4) 5) パイプ装置を 2 セット組んで、片方(地下水)のパイプには砂 1kg を入れる。 また、両方のパイプに水を 1ℓを入れておく（パイプの容量により調整） 。 装置の二本の透明なパイプが、地下水の流れと川の流れを示すことを説明する。 両方のパイプに同量（500mℓ）の水を同時に注ぐ。 二本のパイプから流れ出る水の速さを確認し、地下水の流速が遅いことを説明する。 ■演示写真 １ ３ 装置セッティング済み 地下水のパイプ（中は砂１kg）。あらかじめ水１ℓを入れ ておく。 34 ２ 川の水のパイプ（中は水のみ）。あらかじめ水１ℓを 入れておく。 ４ 同時に水（500mℓ）を注ぎ、中央のビーカーに出てく る速さを比較する。 ５ 地下水の流れの速度を確認しながら解説する。 ■解説例 1) この装置は水の流れを比較する装置です。 透明なパイプ二本に水を入れてあります。一方に砂を加えて地下に見立てます。もう一方 には水だけが入っているので、こちらは川に見立てます。 2) 両方のパイプに同量の水を同時に注いでみましょう。川の流れと地下水どちらが速いでし ょうか。 3) 川の水は速く水が流れます。川は地中に比べて水を通りにくくするものがないため速く流 れて行きます。 4) 地下水の水（砂が入っているパイプ）は、砂の中を水が通過していきます。 5) これが地下水のしくみです。地面に降った雨は蒸発もしますが、地面に浸透し、地下水と なって流れ、やがて地上に出てきます（湧水）。地下水は川の水源でもあるのです。川の 水量を一定にするはたらきがあります。 6) 植物・森林がある山では、土壌（地下）に染み込んだ水を蓄えたり、水量を調節したりす る機能をはたすので「緑のダム」とも呼ばれます。 ※地下水は川の水と深い関係があります。まずは、地下水は川の水源であることです。一般に川 底の下を流れる地下水があります。伏流水と呼ばれるものです。川の水は周囲の地下水とやりと りをしています。川の水の水位が高いときは川から地下水に向かって流れ、川の水位が低いとき は地下水から川へ向かって流れると推定されています。 川の水の流れは、目で見て分かります。それに対して、地下水の流れは地下を流れているため直 接観ることができず分かりません。 参考文献：「やってみよう!環境教育 みんなでつくる川の環境目標」 （日本水環境学会 WEEK21 編集委員会 編／環境コミュニケーションズ 刊） ■装置 ●パイプ装置 ・アクリルパイプ（内径 40mm、外径 48mm、長さ 100mm, 200mm, 400mm, 600mm それぞれ×１、 エルボ×３） ×２ ・アクリルスタンド大 ×２ ・アクリルスタンド小 ×４ ・シールテープ ×４ ●＜台座用 アクリル板材料のサイズ＞ ・アクリルスタンド小：穴下 65mm、φ55mm、幅 100mm ・アクリルスタンド大：穴下 225mm、φ55mm、幅 100mm ※穴下 237mm から現場調整にて変更 ・台座：H20ｍｍ＊W100mm＊D100mm ・台座上の角柱：H15mm＊W15mm＊L100mm 35 地下水と川の流れシミュレーション用パイプ器具 装置背景のスタンド パイプ台座 地下水の流れ 背景 川の水の流れ 背景 水をつくろう（爆鳴気）［try07］ ■実験の目的 ビニールチューブに注入した水素と酸素の混合ガスから水をつくる実験を体感する。 36 ■準備 1) 透明ビニールチューブ(50～10m、会場の規 模に応じて用意。一人 50cm 程度が目安) 6) 着火装置（圧電素子を利用） 2) アルミ蒸着風船（容量 15ℓ） 8) 小皿（シャボン液用） 3) 酸素缶 ×２ 9) ダブルクリップ×２ 7) シャボン液 4) 水素缶 ×１ 5) ストロー ａ．ビニール透明チューブ（内径 6mm、外径 8mm、長さ 10m～50m ／参加者１人当たり 50cm ＋αくらいで計算する） ｂ．混合ガス(水素爆鳴気)の準備 ・アルミ蒸着風船(容量 15ℓ)に水素缶（605mℓ）２本弱、酸素缶（580mℓ）１本を入れる。 ・それぞれのホースの容積と必要なアルミ蒸着風船の本数は ｃ．ビニールチューブのサイズと扱いについて チューブが太くなると、ガス必要量は２乗に比例して多くなります。 ガス量が多過ぎると、考えられることは （１）ホースが破裂→持っている手が傷つく可能性があります。 （２）爆発音が非常に大きくなる→耳を痛めます。 ｄ．ホースを長くすると、混合ガスを入れるのに時間がかかります。おすすめする方法は、 （１）開演前などにあらかじめチューブを客席に這わせておき、混合ガスを注入しておく（チ ューブの両端はダブルクリップで閉じておく） 。 （２）実験の時に、ダブルクリップをはずし、混合ガスをもう一度注入する。混合ガスはあ らかじめ注入済みなので、すぐに必要量の注入が可能となる（演示前に混合ガスを入 れておいても、チューブの口を閉じておけば混合ガスが抜ける量は少量です）。 ■手順 1) シャボン液を小皿（洗面器など）に用意する。 （シャボン液の割合は、水：界面活性剤入り洗剤：PVA=10:1:2 とする） 2) 透明チューブにはあらかじめ水素と酸素の混合ガスを入れておく。 3) 混合ガスの入ったアルミ蒸着風船を取り出し、シャボン玉を膨らませる。 4) シャボン玉に火をつけて、爆発することを確認する。 5) 透明チューブを用意する。 （見学者の人数によって透明チューブの長さを用意。 ） 6) 演示者は透明チューブの一方の先端を持つ（混合ガスが抜けないよう下を向ける）。 7) 参加者に輪になって並んで内側を向いてもらい、両手のひらを開いてビニールチューブを 載せてもらう。 助手はもう一方の先端を持ち、チューブの先端にシャボン液を付け、混合ガスが充填でき たかを確認する。 8) 着火装置で点火し、透明チューブの中の混合ガスが爆発する（助手は先端を下方、人のい ない方向へ向けること） 。 9) 参加者それぞれに、手元のビニールチューブ内が水滴で曇っていることを確認させる。 37 ■演示写真 １ 水は酸素と水素（Ｈ２Ｏ）からなることを説明 ２ 酸素を入れたシャボン玉に火をつけたらどうなるか な？ ３ 水素を入れたシャボン玉に火をつけたら燃えます ４ 水素と酸素を混ぜたガスではどのようになるか試し てみる ５ 混合ガスでシャボン玉をつくる ６ 混合ガスのシャボン玉は点火すると爆発することを 確認する ７ 参加者全員で輪になって立ち、混合ガスを注入した透明 ビニールチューブを手のひらに載せてもらう。 ８ 改めてチューブに混合ガスを注入し、反対側から出 る混合ガスでシャボン玉をつくる 38 ９ できるシャボン玉が軽くなって上に浮き上がりはじめた ら、混合ガスの注入が完了 10 11 ビニールチューブの混合ガスに点火する。爆発とともに チューブの中に、閃光が走り水（水滴）ができる 12 ビニールチューブの中に水（水滴）ができていること を確認する 14 ビニールチューブへの点火の際、チューブの途中で負荷 がかかって途中で混合ガスを遮断したり、点火口の反対 側を塞いだりしないように注意する。写真のチューブは 途中でねじれていたため、内部が焦げてしまっている。 ビニールチューブに着火装置を挿入する 15 水素缶（２本）・酸素缶（１本） ■解説例 1) この風船の中には水素と酸素が 2 対 1 で混じって入っています。この混合ガスでシャ ボン玉を膨らませます。 2) シャボン玉に火をつけるとパンと音を立てて爆発します。 3) 今度はビニールチューブをみんなで持ってみましょう。 先ほどの風船の混合ガスをチューブに入れてシャボン玉をつくります。 シャボン玉が浮けば混合ガスがビニールチューブに溜まったということです。 4) 着火装置をチューブの入口に取り付けて火花を飛ばして点火します。 5) パンという爆発音とともに閃光が走ります。チューブの中を見ると中に水滴が付いて いるのがわかりますね。これは水素と酸素の混合ガスが燃やされると、水ができるか らです。 39 ドライアイスの不思議［try08］ ■実験の目的 固体である氷と気体である水蒸気について実験で確認する。 氷は変化に時間がかかるので、ドライアイスで固体から気体への変化を観察する。 ■準備 1) ペットボトル 3) ビーカー 2) 細かく砕いたドライアイス 4) 風船 ■手順 1) ペットボトルと細かくしたドライアイスとビーカーに入った水を用意する。 2) ペットボトルの中にドライアイスを入れ、水を少量入れる。 3) ペットボトルの口に風船を取り付けると、風船が膨らむ。 ■解説例 1) ペットボトルの中に細かくしたドライアイスを入れ、水を少し入れます。 2) ペットボトルの口に風船を取り付けると、風船が膨らみます。 3) これはドライアイスが気体になって風船を膨らませたからです。 くねくねシート［try09］ ■実験の目的 水蒸気の存在を確認する。水に三態があることを確認する実験の一つとして実施する。 ■準備 1) くねくねシート実演用容器（ボールなど） 3) 紙人形（トレーシングペーパー） 2) タオル 4) セロハン紙片 ■手順 1) ボールの中にお湯を入れてタオルをかぶせる。 2) タオルの上に紙人形を載せる。 水蒸気が当たった面が膨張して反り返る。繊維の目によって反る方向が異なる。 （お湯の温度が高いと動きが速すぎるため 45℃くらいがセロハンの動きが面白い） 40 １ セロハンを色々な繊維の方向に切る ２ お湯を張った容器の上にタオルをかぶせ、その上 にセロハン紙片を載せる 紙人形（切り抜いて使用） ■解説例 1) ここにトレーシングペーパーやセロハンをいろいろな形に切った人形があります。 2) ボールの中にお湯を入れてタオルをかぶせます。 その上に人形を乗せると人形がくねくねと動き出しますね。 3) 暖かく湿った空気（水蒸気）がタオルを通過して、人形を反り返らせるからです。 蒸気で火をつける［try10］ ■実験の目的 液体の水は 100℃以上にはならないが、気体である水蒸気を加熱すると 200℃～300℃以上に なる。水に三態があることを確認する実験の一つとして実施する。 ■準備 1) 金属（銅）パイプ（らせん状にする） 4) フラスコ、ゴム栓 2) ティッシュペーパー 5) ガスバーナー 3) マッチ 6) 雑巾 ■手順 1) 装置を用意する。 41 2) フラスコの中に水を入れガスバ－ナーで温めるとらせん状の金属(銅)パイプを通して湯 気が出てくる。 3) パイプの口の水滴を常に拭き取るようにする。 4) らせん状の金属パイプを加熱し、水蒸気の温度を上げる。 5) ティッシュペーパーやマッチをパイプの先に近づける。 ■解説例 1) フラスコの中に水を入れ、ガスバ－ナーで熱するとらせん状の金属（銅）パイプを通して 湯気が出てきます。 2) パイプ部分を別のガスバーナーでさらに熱するとパイプ先端からの湯気は見えなって、 100℃よりも高温の水蒸気がでるようになります。 3) パイプの先にティッシュペーパーを近づけるとティッシュペーパーが黒くこげます。 4) マッチを近づけるとマッチが燃え出します。 きき水［try11］ ■実験の目的 ４種類の水を試飲して、感じた味覚をグラフにプロットし、水の味わいを特定しているもの は何か、考えます。 ■準備 1) きき水用ミニプラカップ 5) 硬水（contrex） 2) きき水ボード(感想表) 6) 水道水 3) マーカーシール４色 7) 純水 4) 国産のミネラルウォーター(軟水) 8) トレイ、ゴミ袋、バケツ ・下記を入れたコップ(番号付き)をトレイに用意する。 （用意した水のリストは見せるが、どれがどの水かは知らせないで進める） １（青） ：六甲のおいしい水（軟水） ２（赤） ：contrex（硬水） ３（黄） ：水道水 ４（緑） ：精製水（純水） ・水の種類 1～4 を各１つで１セットとして用意し、参加者に飲んでもらい評価用ボードに該 当すると思われる１～４の番号シールを貼って示してもらう。また参加者に感想を尋ねる。 ■手順 1) ４種類の水が入っていて分かれておいてあり、それぞれに色と番号のついたシールを貼っ ておく。 2) ４種類の水を飲み比べてみてシールをボードに貼り、きき水による味覚の傾向をみる。 ■演示写真 42 １ ミニプラカップへ４色のマーカーシールを貼って準備 ２ きき水を行う順番に水を並べる ３ 参加者に水の味を比べてもらう ４ 水の味を比べる ５ 今回、比較する水のリストを提示する ６ 水のリスト ７ ミネラルウォーターはボトルを掲示する ８ きき水の結果(感想)をプグラフにロットする ■解説例 1) ここにたくさんのコップがあります。4 種類の水が入っていて分かれておいてあり、それ ぞれに色と番号のついたシールが貼ってあります。 2) また、ここに水の味の特徴を示すボードがあります。 3) それでは、4 種類の水を飲み比べてみてシールをボードに貼ってみてください。 4) まず、 「１（青） 」の水を飲んでみて下さい。リストの水のうちどれだと思いますか？ 43 5) 「１（青） 」は日本のミネラルウォーターで軟水です。 6) 次に「２（赤） 」の水を飲んでみてください。リストの水のうちどれだと思いますか？ 7) 「２（赤） 」はフランスの硬水でした。 8) では次に「３（黄） 」 「４（緑） 」の水の味を比べて下さい。どちらが水道水だと思います か？ １（青） ：六甲のおいしい水（軟水） ２（赤） ：contrex（硬水） ３（黄） ：水道水 ４（緑） ：精製水（純水） 9) さて、ここでおいしい水の条件について見てみましょう（以下） 。 ①ミネラルがほどよく溶けている水：コクのあるまろやかな味。 ②炭酸ガスがほどよく溶けている水：さわやかな味。 ③酸素がほどよく溶けている水：まったくないと味が悪い。 ④水温が 10～15℃：温まるとにおいが加わり、冷たすぎると口の中の感覚が麻痺する。 ⑤中性または中性に近い水。 ■参考情報 １）硬度は、水中のカルシウムイオン及びマグネシウムイオンの量を、これに対応する 炭酸カルシウム（CaCO3）の量に換算して水 1ℓ中の mg 数で表したもの。カルシウム硬度 とマグネシウム硬度の合計量を全硬度（又は総硬度）という。 ミネラルウォーターの正体（全硬度テスト）［try12］ ■実験の目的 ミネラルウォーターの軟水と硬水の硬度について検査し、水の味を左右する要素について確 認する。 ■準備 1) 全硬度試薬 4) 国産のミネラルウォーター(軟水) 2) ビーカー ×２ 5) 硬水（contrex） 3) ガラス棒 ×２ ■手順 1) 軟水と硬水のミネラルウォーターが入ったビーカーを用意。 2) 試薬のパックを出して水を吸い取る。 3) パックをボードに合わせる。 ※全硬度試薬：フタレインコンプレクソン。反応時間は約 30 秒。 ■演示写真 44 １ パックテストを用いて全硬度の測定を行う ３ 硬度表はプロジェクター投影し、確認する ２ パックテストの結果をボードに貼って確認する ■解説例 1) 軟水と硬水のミネラルウォーターが入ったビーカーを用意 2) さて、水の正体を明かしますと 1 が国産のミネラルウォーターで 2 が contrex というヨー ロッパから輸入したミネラルウォーターです。 3) 1 と 2 の水が入ったビーカーがあります。それぞれの水を試薬の入ったパックで吸い取っ て振ってみます。 4) 1 のペットボトルの水は薄い紫に、 2 の片方のペットボトルの水は濃い紫に変わりました。 5) ミネラル（カルシウムやマグネシウム）を多く含む水を硬水、あまり含まない水を軟水と いいます。 6) 軟水は薄いピインクに、硬水は濃いピンクになります。 7) 硬度は、川や地下水のでき方に関係します。土の中のミネラル分を溶かし込むため、採水 地の土壌によって成分が異なり、これが硬度の違いとなります。 ※ミネラルとは：無機質…Ca（カルシウム） 、P（リン） 、Na（ナトリウム） 、K（カリウム） 、 Fe（鉄）、Mg（マグネシウム）など ①ヒトの体の構成成分をつくる ②生理作用の調整をする ③必要量は微量だが、ビタミン同様、体内では作れず、食物から摂取が必要。摂取過剰も 障害をきたす。 ※硬度…１ℓ 中のカルシウムやマグネシウムの量を炭酸カルシウムの量に換算したもの 炭酸カルシウム（㎎/ℓ）≒カルシウム量×2.5＋マグネシウム量×4.1 ※硬度の違い １（青） ： 「六甲のおいしい水（軟水） 」⇒硬度 30（淡ピンク） ２（赤） ： 「contrex（硬水） 」⇒硬度 1468（濃ピンク） 水の泡立ちくらべ［try13］ 45 ■実験の目的 硬度の異なる水では石けんの泡立ち具合が異なることを確認し、ミネラルウォーターの成分 について確認する。 ■準備 1) 円形トレイ（植木鉢皿）×２ 4) 硬水（contrex） 2) 泡立てネット ×２ 5) 手洗い用水 3) 固形純石けん（15mm 角・厚さ５mm 程度） 6) ふきん ■手順 1) 2) 3) 4) 石鹸と泡立てネットを用意。 硬水と軟水の入ったトレイを用意。 トレイの中に硬水と軟水を同じ量だけ入れる。 泡立てネットを硬水と軟水それぞれに浸し、固形石鹸をネットで泡立てる。硬水は泡立ち にくい。 5) 手洗い桶とタオルを用意しておく。 ■演示写真 １ 材料の準備 ３ 左は軟水、右は硬水。硬水は泡立ちにくい。 ２ 硬水と軟水で石鹸を泡立てネットを用いて泡立てる ■解説例 1) 軟水と硬水の違いを目で見てみましょう。 2) トレイの中に硬水と軟水が同じ量だけ入っています。泡立てネットを水に浸し、固形石鹸 をネットで泡立ててみます。 3) 軟水は泡立ちがよいですが、硬水は泡立ちがよくありません。ミネラルが多く含まれてい ると石鹸の泡立ちがよくないということが言えるようです。 ※石鹸と金属イオン（カルシウムイオンなど）が反応して、金属石鹸（カルシウム石鹸）と 呼ばれる水に溶けない物質になり、洗浄力が落ちるため。 46 水道水の正体［try14］ ■実験の目的 水道水の安全性について、残留塩素を確認しながら解説する。 ■準備 1) 残留塩素測定試薬（DPD 試薬） 3) 水道水、浄水 各 300～500mℓ 2) ビーカー 500 mℓ ×２ 4) ガラス棒 残留塩素検査試薬はジエチルパラフェニレンジアミン法（DPD 法)の粉剤か錠剤を用いる。 液体の量が異なると反応した液の色の濃さが異なって見えるので規定のカップに規定の量の 試料を入れて検査する。ただし、相対的に２つ以上の液体の残留濃度を比較する場合には、 同じ大きさのビーカーに同じ量の試料をとっても良い。 時間が経つと色が変わるため、試薬投入直後の色で判定する。 ■手順 1) 水道水と浄水が入ったビーカーを用意。 2) DPD 試薬をビーカーに入れてかき混ぜる。残留塩素があると 30 秒程度で水が変色する。 ■演示写真 １ 水道水と浄水を入れたビーカーを用意する ２ ビーカーそれぞれに DPD 試薬を入れて攪拌する ３ 残留塩素を含む水は、色が変化する。残留塩素を含ま ない水は、無色透明のまま変色しない ４ 「浄水場のしくみ」アニメーションで浄水工程におけ る塩素処理過程を明示する ■解説例 1) 水道水がいやな臭いをすることがありますが、これは水道水が殺菌のために塩素消毒され ているからです。水道水に実際に塩素が入っているかどうか。浄水と比べてみましょう。 2) 水道水と浄水の入ったビーカーがあります。ここに試薬を入れてかき混ぜてみましょう。 47 3) 浄水は色が変わりませんが、水道水は色が薄いピンク色に変わりました。水道水に塩素が 残っているためです。 ※浄水器で塩素を取り除くことができ、また、汚染物質や有害物質を取り除くことができ る。ただし、塩素を取り除くことにより、細菌が発生しやすくなる。 ※日本では水に対しての安全管理が高く、水道法で塩素殺菌が定められており、水による 病気が発生しにくく、伝染病も蔓延しにくい。水道水は残留塩素が 0.1mg/ℓ以上と決めら れている。 水のごみを集めて固める(汚水の凝集沈殿)［try15］ ■実験の目的 浄水工程における汚水の凝集沈殿について実験し、化学の力を使って汚水をろ過しやすくす る工夫を説明する。 ■準備 1) ビーカー ×２ 4) ガラス棒 2) 珪藻土（家の壁などに使われる土） 5) スポイト 3) 硫酸アルミニウム（凝集剤） ■手順 1) 珪藻土を混ぜた水の入ったビーカーを用意。水 2ℓに対して 3g。 2) 凝集剤を入れてかき混ぜる。 凝集剤：硫酸アルミニウム（硫酸バンドとも呼ぶ）12mℓ。 3) 1 分間ほど早く攪拌し、さらに 1 分間ほどゆっくり攪拌すると珪藻土が凝集されている様 子を確認できる。 ※ 凝集剤は PAC 水溶液（市販の 10％ ポリ塩化アルミニウム溶液 30cm3 を水 1500cm3 に溶かす）でも良い。 ※ 上下水道で使用しているのは、ポリ塩化アルミニウム（Poly Aluminum Chloride） ： 水酸化アルミニウムを塩酸に溶解すると塩基性塩化アルミニウムの重合体[Al2(OH)2–4Cl4–2]～10 が生成する。これをポリ塩化アルミニウムと呼ぶ。主に、上下水道の凝集剤として用いられている。 日本の水道界において傾斜版沈澱池と並ぶ２大発明と言われる凝集剤で，優れた凝集性をもち，現 在では広く世界に普及している。 PAC の規格は JIS K 1475 にて，以下の規格が設定されている。 * 比重 1.19 以上 * 酸化アルミニウム（Al2O3） 10.0－11.0％ * pH 3.5－5.0 ■演示写真 １ 左から硫酸アルミニウム、珪藻土、プラスチックビーカー （1ℓ） ２ 48 珪藻土を混ぜた水（汚水）に凝集剤（硫酸アルミニ ウム）12mℓを入れる ３ 初め 1 分間は速く、後にはゆっくりと攪拌すると汚水が凝 集沈殿される（左のビーカー） ４ 「浄水場のしくみ」アニメーションで浄水工程におけ る凝集沈殿過程を明示する。 ■解説例 1) ここに土を混ぜ入れた水があります。濁っていることがわかりますね。 2) この水に凝集剤を加えてかき混ぜます。 3) すると液体は澄んできて、水に混じっている細かなゴミや濁りが小さな固まり(フロック) になって沈んできました。 オゾンで浄水［try16］ ■実験の目的 浄水過程におけるオゾン浄水の役割について、実験で確認する。 ■準備 1) インディゴブルー（溶液） 7) 電源タップ 2) メスシリンダー（500mℓ）×２ 8) オゾン浄化実験用背景ボード 3) オゾナイザー（オゾン発生装置） 9) 背景ボード用スタンド 4) エアーポンプ ×２ 10) スポイト 5) エアストーン ×２ 11) ビーカー(着色水をつくるため) 6) 脱臭機 1 インディゴブルー溶液（水１ℓにつきインディゴブルー溶 液 6mℓ） ■手順 49 2 一方のメスシリンダーにオゾン発生装置とエアー ポンプをつなぎ、もう一方へはエアーポンプをつなぐ 1) 青く着色した水を２つのメスシリンダーに用意する（背景として白い紙を用意） 。 2) 試料はインディゴブルー（ジーンズの染色などに使用される染料）を使用。水 1ℓに対し て 6mℓ。 3) 片方の試験管には空気だけを、もう片方には空気とオゾン発生装置でオゾンを送り込む。 4) オゾンの臭気を取るため脱臭機を準備する。 5) オゾナイザーのスイッチを入れ、数分で着色された水の色が脱色されることを確認する。 ■演示写真 １ 二つのメスシリンダーを並べて配置し、エアーポンプなど は後方へ置く ２ 空気(右)とオゾン(左)をそれぞれ同時に送る ３ 数分でオゾンを送り込んだ水は脱色し透明になる ４ 浄水場の装置を紹介する ■解説例 1) 浄水場で凝集された水は、次にオゾン消毒されます。 2) オゾンの効果をわかりやすくするために、ここに染料で青く着色させた水を２つのメスシ リンダーに用意しました。 3) 一方のメスシリンダーには空気だけを、もう一方には空気とオゾン発生装置でオゾンを送 り込みます。 4) オゾンを送ったメスシリンダーはしだいに水の色が薄くなって澄んでくることがわかり ますね。 ●浄水場のオゾン処理のしくみ 沈殿槽からの返送汚泥の一部をオゾン反応槽へ移送してオゾン処理（※1）します。 ここで、汚泥中の微生物の細胞壁を破壊して生物易分解性物質に変化させます。その後、再び、ばっ気槽内で排水処理と 平行して汚泥を分解させます。 オゾンを用いることで、余剰汚泥の削減率や脱色率は 90％以上になります。 （※1）オゾン処理：オゾンと紫外線と組み合わせる促進酸化法や、好熱細菌の高温消化を組み合わせて高速処理する方 法などがある。工場排水などに多く含まれる難分解性物質は、オゾンによって生物易分解性物質にすることができる。 ●オゾンには毒性があるが、通常の臭気を感じる程度（0.1ppm 程度）では人体に悪影響はない。ちなみに日本の作業環境に おけるオゾン濃度基準値は 0.1ppm である。 50 汚水のろ過実験［try17］ ■実験の目的 ペットボトルを利用した汚水ろ過装置で実際に汚水のろ過を確認する。浄水過程におけるろ 過の役割を説明する。 ■準備 1) ペットボトルろ過装置（ペットボトル × ２、サイダー用、底をカット） 5) 活性炭 2) ビーカー 300mℓ 3) キッチン三角コーナー用水切りフィルタ ー（不織布製） 7) ろ過装置支持板２枚（ペットボトル受 け ） サ イ ズ 130 ×150mm／ 穴 の 直 径 93mm／厚さ 13mm 4) フラスコスタンド・スタンド用ワニ口 8) コットン 適宜 装置の組立 6) 白砂 ろ材には活性炭と白砂（上記写 真）を使用 ■手順 1) 珪藻土を混ぜた水を用意する（水 1ℓ：土 1.5g） 。 ※演示では凝集沈殿後の汚水を用いる 2) ペットボトルろ過装置（砂と活性炭 二重ろ過）を設置。 3) 汚水をろ過装置に通し、ビーカーに落ちる水を確認する。 51 ペットボトルの口に脱脂綿を詰 め、中にニューロ（直径２mm）を通 す ■演示写真 1 ろ過装置をセット、あらかじめ水 を通しておくと早くろ過できる 2 ビーカーの汚水を上から注水し て、ろ過が進むのを待つ ■解説例 1) ここに汚れた水があります。この水をろ過装置でろ過します。ペットボトルを切って逆さ まにしてスタンドに立てました。上のペットボトルには砂が、下のペットボトルには活性 炭が入っています。 2) 汚れた水を装置に注ぎ入れます。さて、ろ過した水はどうなったでしょうか。 3) 砂を通り、活性炭を通過して落ちてきた汚れた水は澄んで透明になってきました。 ※２）と３）の間に「汚水のろ過モデル装置」を用いた「ろ過」の説明、浄水施設の説明 を行う。 ※１ ろ材 ろ材によってろ過のされ方が異なる。 ・にごりを対象とした場合：径の細かい順に、川砂、プラスチック粒（観賞魚用敷き材、5mm 程度）、ビー玉など。 ・着色水を脱色する場合：粒状活性炭（観賞魚用）、プラスチック粒（観賞魚用敷き材、５mm 程度）、活性炭など。 ・流し方：ろ材の詰め具合にもよりますが、30 秒ほどかけて 100mℓ 程度のろ水を得るように行なわないと、 にごりに変化がない可能性がある。時間がない場合は、ろ材の量を多めにする。 ※２．ろ過の定義について １）「ろ過」（にごり粒と水を分ける：小さな粒や溶けている物は通り抜ける） ２）「吸着」物理的吸着（炭や活性炭で数 µm～数百 µm ） （炭：１グラム当たり 300 平方メートルの面積） （活性炭：１グラムあたり 1,000 平方メートルの面積） ３）「凝集」（ろ過しても通り抜けてしまう小さな粒を大きな粒に変えてしまう。 凝集剤の持っている電気の力で小さな粒をくっつける。） ４）分解（これは生物分解） 参考文献：「みんなでつくる川の環境目標」 汚水のろ過モデル装置［try18］ ■実験の目的 「水」 「ビーズ玉」 「金網」を用いたモデルを使って汚水ろ過フィルターのしくみを説明する。 ■準備 52 1) ろ過モデル装置 2) 汚水の粒子に見立て、三種の大きさが異な るビーズ玉 ３種のビーズ玉をあらかじめ水に浸しておく。 ビーズ玉は穴をあけ、中に樹脂製ボンドなどを詰め て水に沈むよう調整した ■手順 1) ３種の大きさが異なるビーズ玉を用意。ビーズ玉は界面活性剤を少量いれた水に浸けて、 なじませておく。 2) ろ過モデル装置は透明アクリルパイプに目の大きさの違う網をセットし、３層になってい る。 3) ろ過モデル装置のパイプ中には水９ℓ を注ぎ入れる。 4) ビーズ玉をパイプに落とし入れて、ろ過フィルターを通る様子を確認する。 ■演示写真 １ ろ過モデルには水９ℓが入って いる ２ ビーズ玉を投入する 53 ３ ３段のフィルターを通る、ろ 過のモデルを説明する ４ ビーズ玉を水に浸しておく ６ ５ ３種類（大中小）の大きさのビーズを投入する 「ろ過のしくみ」画像を用いて解説する ■解説例 1) 水がろ過されるまでの間、ろ過のしくみをこの装置で説明します。 2) 透明アクリルパイプに目の大きさの違う網がセットされ、三つの層になっています。中に は水が入っています。網の目をろ過の砂、砂利の隙間と見立てます。 3) この大きさの異なるビーズ玉を汚れの粒と見立てて、ろ過装置モデルに入れるとビーズ玉 はゆっくり落ちていきます。 4) 大きなビーズ玉は一番上で止まってしまいます。小さなビーズ玉は下の方まで落ちていき ます。 ■装置 1)透明アクリルパイプ 外径(110mm)板厚(3mm)長さ(200mm) ×１ 2)透明アクリルパイプ 外径(110mm)板厚(3mm)長さ(300mm) ×２ 3)透明アクリルパイプ 外径(120mm)板厚(3mm)長さ(1000mm) ×１ 4) パイプ受け台：透明アクリル板 板厚(20mm)四辺 250mm ×１ パイプ受け台：アクリル接着剤で接着。補強パイプを 付加した アクリルパイプを二重にして作成する 54 ろ過フィルター（大） ろ過フィルター（中） ろ過フィルター（小） フィルター材 アメンボくん［try19］ ■実験の目的 アメンボ模型を水面に浮かべながら、水の表面張力について確認する ■準備 1) アメンボくん(模型) 5) ···· スポイト 2) トロ箱（長さ 1200mm×幅 900mm×高さ 190mm） 6) ···· 撥水スプレー 3) 洗剤水（水 20：界面活性剤 40%程度の洗剤１） 7) ···· アメンボくん 箱のサイズ 4) 洗剤水用容器(ビーカー) （巾 770mm × 長さ 1220mm × 高さ 190mm） ■手順 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 洗剤水（水 20：界面活性剤 40%程度の洗剤１）とスポイトを用意。 トロ箱に水を入れておく。 容器の近くに見学者を集める アメンボくん(事前に撥水スプレーをかけておく)を浮かべる。 カメラはアメンボくんの足をアップで映す。 洗剤水をスポイトで取り、容器に１～２滴入れる。 アメンボくんは水面を滑るように移動する。 さらに洗剤水を加えると、アメンボくんは水没する。 ■演示写真 55 １ 金属製のアメンボくんを紹介 ２ 水を張ったトロ箱に浮かべる ３ アメンボくんの足の様子をカメラで中継投影する ４ 洗剤水を投入 ５ アメンボくんは素早く移動する ６ 表面張力について画像を用いて説明 ■解説例 1) 大きな容器に水が入っています。ここに金属で作ったアメンボの模型を静かに置いてみま す。アメンボは水に浮いていますね。普通、金属は水に沈んでしまいますね。どうして沈 まないんでしょう。 2) よく見るとアメンボの足のまわりの水面が少しへこんでいて、水面が足を支えていて、沈 ませないようにしています。 3) 図で説明しますと、アメンボの足のまわりの水面が少しへこんでいて、水面が足を支えて います。 4) 水のような液体の中では、分子同士が前後左右、上下に引っ張り合おうとします。ただし、 水面には上に分子がないため、下向きに、水面が内側だけに引っ張られます。これは液体 の表面積を小さくしようとする力で、表面張力といいます。 5) なみなみと水を入れたコップの水が丸く盛り上がったり、雨の粒や葉っぱの水滴が丸く見 えるのもこの力のためです。 ■装置 ●アメンボくん（模型） 56 ・太さ 0.8mm 長さ 300mm の真ちゅう線 × 3 本 ・薄手のプラ板 ・瞬間接着剤 ・塗料 １.太さ 0.8mm 長さ 300mm の真ちゅう線を 3 本用意する ２.おのおの必要サイズにカットする。 ３.足は両端を端から５mm、10mm に 45°曲げる。 ４.完成イメージ 胴体は写真のように曲げる ５.胴体をを 6mm ぐらい浮かせ仮止めする ６.足をハンダ付けする ７. 薄手のプラ板に３で作った胴体の型を取り、カット ８.瞬間接着剤で本体に接着（裏面） 57 10.塗装前 逆さまにしてもこぼれない水［try20］ ■実験の目的 ペットボトルの断面を細かな網目でフタをして逆さまにすると、どうなるか。水の表面張力 の強さ、はたらきを確認する。 ■準備 1) 透明なたらい 3) ふるい 2) 2/3 にカットしたペットボトル容器（500mℓ～1ℓ） ※写真のペットボトルは 500mℓ のサイズを 2/3 ぐらいに切ったもの ■手順 1) 透明なたらいに水を張る。 2) 演示者はペットボトル（2/3 ぐらいに切ったもの）で、水をすくってふるいに入れてみせ （ふるいに仕掛けがないことを示す）。 3) ペットボトルを水に沈め、中を水でいっぱいにする。 4) ふるいをたらいに入れ、ペットボトルの切り口を下にして、ふるいの上に乗せる。 ※ペットボトルの口は水中で逆さまにしてふるいに載せないと、水がこぼれてしまう 5) ペットボトルごとふるいを静かに持ち上げる。 ■演示写真 １ 参加者にまわりに集まってもらい実験を行う ２ 58 ビデオカメラで水とふるいの接触面を投影する ３ 透明なたらいとふるい ４ 水中でペットボトルに水を満たし、ふるいに垂直に 載せる ５ そのまま水面から上へと持ち上げる ６ 水とふるいの接触面を見せる ７ 撮影している様子をプロジェクター投影する ８ 表面張力について図を用いて説明する ■解説例 1) ここに水の入った透明なたらいがあります。さらにペットボトルを切った容器とふるいを 用意します。 2) ペットボトルで水をすくってふるいに入れてみても、ふるいは小さい穴が開いているので、 水は通り抜けてしまいますね。 3) ペットボトルを水中に入れ、水で満たし、そのままペットボトルをふるいの上に立つよう にして、水から持ち上げます。 4) ペットボトルをふるいごと持ち上げても水はこぼれません。これは水の表面張力のために よるものです(下からは大気圧で支えられています)。 5) 網の目の一つ一つに表面張力がはたらくので水がこぼれません 59 巨大シャボン玉をつくる［try21］ ■実験の目的 水の表面張力について、実際にシャボン玉をつくり確認する。 ■準備 1) シャボン玉液用トレイ 3) シャボン液 2) シャボン玉用わく ※シャボン玉液の比率：洗剤（40％）1.5～2.0：PVA 10：水 20。PVA は、水分が乾燥し、大きく なって薄くなるのを極力防ぐために使用。 ■手順 1) 2) 3) 4) ブルーシートを床に敷き、テーブルにシャボン液の入ったトレイを乗せる。 シャボン液は水：PVA：洗剤＝20：10：1.5～2 リングを用意してシャボン玉をつくる。リングは直径 30cm ほど。 柄のついた大きなリングを液体に浸して、持ち上げると巨大なシャボン玉ができます。 ※PVA(polyvinyl alcohol：ポリビニルアルコール)：合成樹脂の一種。洗濯ノリを使用。 ■演示写真 ■解説例 1) 表面張力の実験をしてみましょう。巨大なシャボン玉を作ってみます。 2) ここに割れにくく調合したシャボン液があります。 3) 柄のついた大きなリングを液体に浸して、持ち上げると巨大なシャボン玉ができます。 4）これは洗剤によって表面張力が弱くなり、水の表面がどんどん広がっていくためです。 ■装置 ●シャボン玉用わく ・アルミの針金（ビニルカバーつき） ・たこ糸 ・木製の柄 アルミの針金（ビニールカバーつき）にたこ糸を巻きつけ、 木製の柄をつけて作成した 60 汚れた水が危険を知らせる （簡易水質測定装置）［try22］ ■実験の目的 水の汚れの原因は、水に溶けている物（溶解物）と溶けていない物（濁り）に大別できます。 電気伝導度率計を用いた水質検査を行い、身のまわりの汚水に溶けている汚れについて確認 する。 ■準備 1) 簡易水質測定装置 ×４ 3) ビーカー１ℓ ×４ 2) 検査用試料 各１ℓ 4) 手袋（防水手袋） Ａ：水道水 5) １）の各装置に 9V 電池１本・単三電池 2 本 Ｂ：洗剤水 Ｃ：富栄養化した水（ドッグフードを利用） Ｄ：川や池の水 ※洗剤の入った水道水（水と洗剤の割合は 1ℓ：1.5mℓ） ※富栄養化水の作成 ドッグフード４片を、1.5ℓの浄水に入れ、数日おいて富栄養化させる(室温、日射に留意する)。 富栄養化水を仕込む際、ドッグフードが実験器具に付着するのを防ぐため、砕かずに水に入 れる。 ■手順 1) 液体の入ったビーカー４種類各 1ℓを事前に用意。 2) 水道水と洗剤を溶かした水、さらに食べ残しの例として、ドッグフードを溶かして数日か ら十日ほどおいた水と川(池)の水 3) 洗剤水は水：洗剤が 80：1 の割合。 4) ドッグフード：４片を砕き、1.5ℓの浄水に入れ、数日から十日おいて富栄養化させ(腐ら せ)る。 5) 実験では「川の水」として、神田川の水（千代田区九段下）を使用。 6) 装置のセンサー部をそれぞれの液体にどのくらい浸すとセンサーのブザー、ライトが反応 するか確認し、比較する。 EC テスト：電気伝導度率計=通常水は電気を通しにくいが、塩分や汚れなどの成分が混ざ ると電気を通しやすくなる。この性質を利用した装置。 富栄養化：停滞水域中に含まれる窒素やリンなどの栄養塩濃度が高まり、それらを取り込 んだ植物プランクトンが異常増殖する現象。 61 ■演示写真 １ 検査試料を１ℓビーカーにて用意する ２ 検査試料を並べる ３ 4 種の検査試料について説明 ４ EC テスターで検査 ５ 溶解物の多い水では EC テスターが反応する ■解説例 1) ここに水道水と洗剤を溶かした水、さらに食べ残しの例として、ドッグフードを溶かして 数日から十日ほどおいた水と川（池）の水があります。 2) これは汚れた水に反応してブザーが鳴（ったり、ランプが光ったりす）る装置です。 3) それぞれのビーカーに１つずつ装置を浸してみて、反応を見てみましょう。 4) 水道水は反応しません。汚れてはいませんね。 5) 洗剤水は反応しました。水が汚れているようです。 6) ドッグフードを溶かした水も反応しました。この水も汚れているようです。 7) 川（池）の水はどうでしょう。反応しましたね。川（池）の水も汚れているようです。 ※水の汚れの原因は、水に溶けている物（溶解物）と溶けていない物（濁り）に大別できま す。溶けていない物は、濁り具合で判別できますが、溶けていない物を知るには、対象とな る汚濁物質（COD、窒素、リンなど）を個別に測定できる、専用の試薬などが必要となります。 具体的な汚れの中身が分からなくても、水に溶けているものによる汚れがあることが瞬時に わかれば水質の変化を簡単に知ることができます。 62 ※水中の水溶液の電気抵抗は溶存イオン量が増大すると低下します。水溶液の電気伝導率 （EC）は溶存イオン量に比例するのです。そのため、電気伝導率は全溶解性物質のおよその 値を短時間に推定できる指標となります。EC は異なる質の水の混合状態や起源が推定できる 指標となります。 ■装置 ●簡易水質測定装置 音と光で知る水質測定器 ・ミニブザー（1.5V、音量 70dB 程度） ・電池スナップ（006p 形電池用） ・電池ホルダー（単三電池 2 本用） ・006p 形（9V）電池１本 ・単三電池 2 本 ・シールドクリップ 2 個 ・容器（適当なものでプラスチック等加工が容易なもの） ・アルミ板（厚み 0.3mm、100mm×120mm×2 枚） ・スチレンボード（厚み 5mm、120mm×20mm、100mm× 20mm、19mm×20mm） ・コード（適当） 簡易水質測定装置設計図面 ・収縮チューブ（適当） ・豆電球（2.5V/0.3A 等） ・バッテリースナップ ・小型トグルスイッチ（3P 中点 OFF） ・2 接点のコネクター ・2 接点のジャック ・両面テープ（スチレンボード貼付用） 簡易水質測定装置 回路図 音と光で知る水質測定器 本体 センサー部 63 本体内部 水質検査［try23］ ■実験の目的 河川の水質調査等の目的で幅広く用いられているパックテストで、COD(水中の有機物を酸化 剤で反応させ、そのときの酸素の量で表す)テストを行う。 ■準備 1) 検査試料 各１ℓ 2) 洗剤を混ぜた水 １ℓ Ａ：富栄養化した水（ドッグフードを利用） 3) ビーカー ×４ Ｂ：汚れた河川の水 4) 水質測定用試薬（COD） ×４ Ｃ： 浄水していない水道水 ※洗剤の入った水道水（水と洗剤の割合は 1ℓ：1.5mℓ） ※富栄養化水の作成 ドッグフード４片を、1.5ℓの浄水に入れ、数日おいて富栄養化させる(室温、日射に留意する)。 富栄養化水を仕込む際、ドッグフードが実験器具に付着するのを防ぐため、砕かずに水に入 れる。 ■手順 1) 試薬のパックを出して水を吸い取る。 2) パックを標準色（画像）に合わせる。 COD テスト：水中の有機物を酸化剤で反応させ、そのときに必要な酸素の量で表す。反応 時間は温度により異なる（6 分 10℃・5 分 20℃・4 分 30℃）。有機物が多いほど値が大きい。 河川の水質調査等に用いられる。 実験で COD 値は水道水は 0mg/ℓ。 洗剤水と神田川は 5 mg/ℓ。ドッグフードを溶かした水は 20 mg/ℓ。 ■演示写真 １ 検査試料を並べ、測定値の標準色を投影する ２ 64 パックテスト用チューブに採水する ３ チューブを白いボードに並べて結果を見る ５ 富栄養化水をつくる際に用いたドッグフード ４ パックテスト用チューブと標準色表 ■解説例 1) 汚れた水の度合によって試薬の反応が違います。試薬のパックでビーカーの水を吸い取っ て調べてみましょう。 2) 水の色が変わってきましたね。画像に合わせて比べてみましょう。 3) 水道水はやはり汚れてはいませんね。 4) 洗剤水は汚れているようです。 5) ドッグフードを溶かした水はたいへん汚れているようです。 6) 川（池）の水はドッグフードを溶かした水ほどではありませんが、洗剤水と同じぐらい汚 れているようです。 ・COD（Chemical Oxygen Demand）測定の原理 COD は、水に溶けている汚れの量の相対的な指標です。化学的酸素要求量と呼ばれている。 COD で測ることができる汚れは、主に有機物で、窒素やリンはこの方法で測ることはできな い。 名前に化学的とあるように、有機物を過マンガン酸カリウムという強い酸化剤で化学反応（酸 化還元反応）させ、そのときに要した過マンガン酸カリウムの量から消費された酸素の量を 計算した値を COD という。直接、有機物を測っているのではないので、よごれ（有機物）の 量の相対的な指標となる。水に溶けている汚れは目に見えないので、このような方法をとる。 65 しょりえもん（小型水再生装置）［try24］ ■実験の目的 水が浄化されていく過程をわかりやすく見せられるよう工夫した装置（ろ過剤が交換可能 で、要所でろ材の機能が目に見えるようにろ水の溜り部分を設けてある）を用いて、浄化シ ステムのはたらきを確認する。 ■準備 1) しょりえもん（水再生装置） 3) 富栄養化水（ドッグフード） 2) 活性汚泥 ※他の実験、浄水場のしくみ図を合わせ て解説する ■手順 1) 小型水再生装置「しょりえもん」と水再生センターの解説画像を用意。 2) 「しょりえもん」の浄水過程を説明する。 3) 各水処理過程についてそれぞれ実験と解説画像を交えながら解説する。「反応タンク」で は活性汚泥にいる微生物を紹介する。 4) 「砂ろ過槽」では「ろ過実験」を行う ■演示写真 １ 装置「しょりえもん」を事前に稼働させる ２ 「しょりえもん」の水処理工程を解説する。（左から）最 初沈殿池／反応タンク（嫌気槽）／反応タンク（好気 槽）／最終沈殿池／砂ろ過槽／模擬河川槽 ３ 水再生センターのしくみ 図（アニメ）も使用する ４ 活性汚泥のサンプル 66 ５ 「最初沈殿池」大きなゴミを沈める ６ 「嫌気槽」微生物が体内のリンを吐 き出す。活性汚泥の色は茶色なのは 細菌が快調な証とのこと（以前は黒 っぽかった）。 ７ 「好気槽」空気を送り込まれる。 微生物は嫌気槽で吐き出した以上 の酸素を取り込む。 汚水中のアンモニア性窒素は、ここ で微生物によって酸化されて硝酸 イオンになる。 硝酸イオンは無酸素槽に戻されて 微生物の呼吸で酸素を奪われ、窒 素の気体となって大気中に出て行 く。 ８ 「最終沈殿池」に分解反応した汚泥 が溜まる。上澄みを砂ろ過槽へ送 る。 ９ 「砂ろ過槽」最終沈殿池の上澄みは 槽の下部へ 送り込ま れてろ過 され る。 10 「模擬河川槽」砂ろ過槽の上澄み が放たれる。 ■解説例 1) 水再生センターのしくみを画面と実験装置とで併せて説明しましょう。この実験装置は小 型水再生装置「しょりえもん」です。 2) まず、最初の池で大きなごみを取り除いて、土砂を水の底に沈ませてから、次の池で沈み やすい汚れをさらに沈ませます。 3) 次に人工的に育てられた多くの微生物を入れられたタンクに送られます。沈まない汚れを 活性汚泥の微生物に食べさせることによって水がきれいになっていきます。 4) 写真が微生物の写真です。 「しょりえもん」では、このタンクの部分に写真の微生物がい ます。 5) さらに最後の池で残ったごみときれいになった水に分けます。きれいになった水をろ過槽 を通して、細かなごみまで取り除いて塩素消毒します（芝浦水再生センターでは、さら にオゾンできれいにします） 。 6) こうして、汚れた水をきれいにして川や海に流しています。 「しょりえもん」では、この 模擬河川槽の部分に当たります。 67 しょうのう船［try25］ ■実験の目的 しょうのう船が前に進むのは、水の表面張力によるものであることを確認する。 ■準備 1) しょうのう船用ボード（スチレンボード） 3) セロハンテープ 2) しょうのう 4) トレイ ■手順 1) 広いトレイに水を張る。 2) しょうのう船を人数分用意する 3) 船の後ろにはしょうのうがテープで貼り付けてあり、水に浮かべるとしょうのうが水に溶 けて、船が水面を動いていきます。 ■演示写真 １ スチレンボードをカットした船。水に浮かべたときに「しょ うのう」が水に触れるように船尾に貼り付ける ２ 洗面器や広いバットに水を張って水面に浮かべると しょうのう船が進む ■解説例 1) トレイには水が入っていて、スチレンボードでできた船が置いてあります。船の後ろには しょうのうがテープで貼り付けてあり、水に浮かべるとしょうのうが水に溶けて、船が水 を動いていきます。 2) うまく船を動かすことができるでしょうか。船を浮かべてみましょう。 ※しょうのうが水に溶けると、水の表面張力を弱めるはたらきがあります。船の後ろに 置いたしょうのうにより、後方の表面張力は小さくなるのに、前方はそのままなので、 船は前に引っ張られて前進します。 ※水温 25℃の水 800mℓで、 「しょうのう」は 1g 溶ける。 ※しょうのう：楠の根、幹、枝、葉を水蒸気蒸留して作る。無色柱上の結晶で、特有の 芳香があり、昇華しやすい。薬用として、また、香料や防虫剤や防臭剤などに使われる。 68 水・WATER・H2O［vis01］ 水のイメージグラフィック。 「まとめ」 「水を つくろう」実験、解説時の背景に投影する。 水の三態［vis02］ 水はわたしたちのまわりのいろいろな場所 にいろいろな姿で存在しています。例えば海 や川も水です。また、雨も水です。雨が降っ たら水たまりができますが、時間が経つとな くなります。これは、水たまりの水が地面に 浸み込みんだり、温められて蒸発したりする からです。 一方、冬など寒い朝に水たまりの水が凍って いるときもありますね。 水は液体ですが、冷えて凍ると氷になりま す。氷は固体ですね。反対に水を温めると水 蒸気という気体になります。 水はわたしたちのまわりでどのように存在 して、どんな役割をしているのでしょうか。 水のいろいろな変化についての実験をして みましょう。 ※その他、水の三態を確認する実験で使用する。 69 冷たいコップが汗をかく－結露－［vis03］ 水の三態について、空気中に存在する水蒸気 を確認する。 地球の水循環［vis04］ 地球上、いろいろなに姿を変えて循環する 水。 緑地と更地の比較写真［vis05］ 土壌に日光が直接当たっている状態では、土壌は乾いていますが、日陰では湿っています。 日陰にするためには、植物が茂り直射日光を遮ることが必要です。緑地の地面は湿っている といえます。 乾いたスポンジで更地を表現します。水ははじかれてスポンジ表面を流れていきます。 緑地にあたる湿ったスポンジでは、水はスポンジに浸み込んでいきます。スポンジが湿って いる状態は土壌が湿っている状態に相当します。 雨水が地下に浸透するには、植物が日陰をつくり土壌が湿っている状態になることが重要な のです。 70 ■画像 乾いた土壌 湿った土壌 わたしたちの身のまわりの水環境［vis06］ わたしたちの暮らす街ではどのように水が 循環しているのかを確認する。 人が１日に必要とする水の量［vis07］ 人は一日にどのくらいの水分を必要とする か確認する。 ※「体内でつくられる水」とは、たんぱく質 や炭水化物、脂肪などの代謝によって得られ る水です。 71 地球上にはどのくらい水があるか［vis08］ 大きな地球儀とカップの水などを比較しながら、わたしたちが利用できる水は地球上にどの くらい存在するかを確認する。 ●地球の直径＝1 万 3,000km （Ａ）地球の全体の水の量が９ℓ だとした場合 3 ・地球上の水の総量は 13 億 8,600 万㎞ →球体にすると （１）地球上の水量：９ℓ（100％） ●水だけを集めた球は直径約 1,400km （２）地球上の淡水量：234mℓ（2.6％） 3 ・そのうち 2.5%(3,500 万 km )の淡水は （３）地上の淡水量：0.9mℓ（0.01％） ●淡水だけの球体は直径約 400km →人間が使える水の量：0.9mℓ ・さらに淡水のうち、氷河(10 分の 7)、地下水など(10 分の 3)を省き、淡水湖、川、湿地などの水は約 250 分の 1 の 10 万 km3 （Ｂ）地球の淡水の量が９ℓ だとした場合 （１）地球上の水量：約 346ℓ（100％） （２）地球上の淡水量：９ℓ（2.6％） となり ●わたしたちが利用できる水の球体は直径約 70km となり ます。 （３）地上の淡水量：約 35mℓ（0.01％） →人間が使える水の量：35mℓ ・参考までに大さじは 15g、小さじは 5g である。 参考文献：平成 20 年版「日本の水資源」 国土交通省 ■画像 地球上にはどのくらい水があるか 72 水を調べる（全硬度・残留塩素・COD）［vis09］ ●全硬度： 硬度は、水中のカルシウムイオン及びマグネシウムイオンの量を、これに対応する炭酸カル シウム（CaCO3）の量に換算して水 1ℓ中の mg 数で表したもの。カルシウム硬度とマグネシウ ム硬度の合計量を全硬度（又は総硬度）という。 ●残留塩素（DPD 法） ： 残留塩素検査試薬はジエチルパラフェニレンジアミン法（DPD 法)の粉剤あるいは錠剤を用い る。 液体の量が異なると反応した液の色の濃さが異なって見えるので、規定のカップに規定の量 の試料を入れて検査する。ただし、相対的に２つ以上の液体の残留濃度を比較する場合には、 同じ大きさのビーカーに同じ量の液体をとっても良い。 時間が経つと色が変わるため、試薬投入直後の色で判定する。 ●亜硝酸（NO2） ： 生活排水・し尿などに含まれた窒素に酸素が付いたもの。亜硝酸を多く含む水は、酸素の少 ない汚れた水。 ●COD（科学的酸素消費量） COD は Chemical Oxygen Demand の略称で化学的酸素要求量といい、汚れ（有機物）を微生物 の代わりに薬品を使って調べます。水中の有機物を酸化剤で反応させ、そのときに使われる 酸素の量で表します。水中に含まれる有機物の量が多いほど値は大きくなります。 COD は、水の滞留時間の長い、湖沼や海域の汚れを調べるときに用いられます。 汚れた河川の COD 値の例 汚れの程度 COD値 （mg/ℓ） きれいな水 １以下 少し汚れた水 １～３ 汚れた水 ５以下 たいへん汚れた水 10以上 具体的な例 ・きれいな渓流 ・ヤマメ、イワナが棲める ・雨水 ・サケ、アユが棲める ・農業用水に使うことができる ・コイ、フナが棲める ・台所やトイレ、工場の排水 参考文献：「水の雑学がよ～くわかる本」 （杉山美次 著／秀和システム 刊） 73 ■画像 標準色＜全硬度＞ 標準色＜残留塩素（遊離）・DPD＞ 標準色＜化学的酸素消費量・COD＞ 標準色＜亜硝酸＞ 水質検査試料 74 きき水グラフ［vis10］ 水の味くらべに使用 きき水（水の味くらべ） きき水グラフ おいしい水の条件［vis11］ ■おいしい水の条件 01）ミネラルがほどよく溶けている 02）酸素と炭酸ガスがほどよく溶けている 03）水温が 10～15 度 04）中性または中性に近い ■概要 おいしい水とは、 「ミネラル、硬度、炭酸ガス、酸素を適度に備えた冷たい水」と言われてい ます。不純物をまったく含まない水（純粋な水）は、飲んでも決しておいしい水とは言えま せん。適当な物質が適度に溶けていることがおいしい水の要件です。 １）ミネラル：カルシウム、ナトリウム、カリウム、鉄など水中に溶けている鉱物質の総量 で、水の味にコクとまろやかさを出します。１ℓ中に 30～200mg を含んでいる水がよいと されます。 ２）硬度：カルシウム、マグネシウムの量によって計られます。これらの成分が多いと硬水 とよばれ味がきつく、低いと軟水とよばれ、コクのない水となります。１ℓ中に 50mg 前 後を含んでいるのが好まれます。 ３）炭酸ガス（遊離炭酸） ：湧き水や地下水などに多く含まれ、水に新鮮でさわやかな味を与 えます。 ４）酸素：水に清涼感を与えます。酸素がまったくない水は、味が悪くなります。 ５）水温：おいしい水には水温も大切な要素となります。水温は 10～15 度が飲むのに快適な 温度と言われます。 75 水質項目 おいしい水の要件 蒸発残留物 30～200mg/ℓ カルシウム･ マグネシウム （硬度） 10～100mg/ℓ 遊離炭酸 3～30mg/ℓ 過マンガン酸 3m/ℓ以下 カリウム消費量 臭気度 3以下 残留塩素 0.4mg/ℓ以下 水温 最高20℃以下 内容・特徴 水を沸騰させても蒸発しないようなミネラルや鉄、マンガンなどを指し ます。量が多いと苦味や渋味が増し、適度に含まれると、コクのある まろやかな味がします。1ℓ中30～200mg含まれているのが理想とさ れています。 ミネラルのなかで量的に多いカルシウム、マグネシウムの含有量を 示し、硬度の低い水はくせがなく、高いと好き嫌いが出ます。カルシ ウムに比べてマグネシウムの多い水は苦味が増します。 水にさわやかな味を与えます。量が多いと刺激が強くなりま す。 有機物量を示し、多いと渋味をつけます。多量に含むと塩素の 消費量に影響して水の味を損ないます。 異臭味を感じない水準です。水源の状況により、さまざまな臭 いがつくと不快な味がします。 塩素臭が気にならない濃度です。水にカルキ臭を与え、濃度が 高いと水の味をまずくします。 夏に水温が高くなると、あまりおいしいとは感じられません。 冷やすことでおいしく飲めます。 参考文献：厚生省「おいしい水研究会（昭和 60 年 4 月 24 日）資料」 ※過マンガン酸カリウム、臭気度、残留塩素などが多いと、水がまずくなります。 浄水場のしくみ［vis12］ 浄水場のしくみをアニメーションで確認す る。 参考文献：『金町浄水場概要』、東京都水道局『東京の水道』 76 金町浄水場（施設航空写真）［vis13］ 浄水場のしくみを確認する。 出典：Google 金町浄水場（施設配置図、施設写真）［vis14］ 浄水場のしくみを確認する。 ■画像 金町浄水場（施設内配置図） 金町浄水場 入口 出典：Google 沈でん池 沈でん池（内部） 77 オゾン発生器 凝集剤のはたらき［vis15］ 凝集剤のはたらきをアニメーションで確認す る 汚れの粒が浮いている 凝集剤を投入する 凝集剤が土やにごりを集めて固まり（フロック）にす る 78 ●無機凝集剤の特性と用途 凝集剤 硫酸アルミニウム （硫酸バンド） ポリ塩化アルミニウム （PAC） 塩化第二鉄 ポリ硫酸第二鉄 用途 特製 ｐH８以上では効果が低い フロックが軽い 凝集性が硫酸アルミより良い ｐH８以上では効果が低い フロックが軽い 凝集ｐH範囲が広い フロックが重く沈降性が良い 凝集ｐH範囲が広い フロックが重く沈降性が良い 廃水処理全般 水道で多く使用される 色度成分の除去など 高ｐH排水の処理、 汚泥脱水助剤など 高ｐH排水の処理、 汚泥脱水助剤など 参考文献：「抗排水処理における凝集剤について」DOWA テクノエンジン(株) ろ過のしくみ［vis16］ ろ過（にごり粒と水を分ける：小さな粒や溶けている物は 通り抜ける） ダムの水位［vis17］ 山の保水力、水源としての重要性を確認する 早明浦ダム（高知県土佐郡）平成 20 年７月１日（利用貯水率 100％） 79 平成 20 年８月 31 日（利用貯水率 0.0％） 出典：「独立行政法人水資源機構 池田総合管理所 早明浦ダム・高知分水管理所」 日本は水輸入大国［vis18］ バーチャルウォーター（仮装水）概念により日本が水輸入大国であることを確認する。 水の輸入相当量「お茶碗一杯のご飯に必要な水」 水の輸入相当量「牛肉 1kg に必要な水」 水の輸入相当量「日本の水輸入相当量」 日本の淡水の取水量 80 日本への品目別仮想投入水量 日本の淡水の使用用途 ※円グラフの項目は時計回りに下記の内容（億 m3/年） ・とうもろこし（145） ・大豆（121） ・小麦（94） ・米（24） ・大/裸麦（20） ・牛肉（140） ・豚肉（36） ・鶏肉（25） ・牛乳及び乳製品（22） ・工業製品（13） 出典： 「平成 20 年版日本の水資源」（国土交通省 土地・水資源局水資源部） 「エネルギー環境教育ジャーナル」エネルギー環境教育情報センターHP 環境省 HP「実は身近な世界の水問題」（世界の水問題にかかる普及啓発ＷＥＢサイト） 「バーチャルウォーター（VW）量 一覧表」 わたしたちにできること［vis19］ 「水を汚さない工夫」 「節水の工夫」についてわたしたちにできることを紹介する。 家庭でできる水を節約する工夫 家庭でできる水を汚さない工夫 81 アメンボくん ［vis 20］ アメンボ模型が表面張力によって水面に浮 かぶしくみを確認する。 水は表面張力が強い物質 ［vis21］ 水は、水分子という小さな粒が集まってでき ています。この粒同士は、お互い引っ張りあ っているが水の表面では外側に分子が無いた め、表面を内側に引っ張るので、表面積をで きるだけ小さくしようとする。この力を「表 面張力」と呼ぶ。水滴が丸くなったり、コッ プいっぱいに注いだ水が、コップのふちより 高く盛り上がってもこぼれたりしないのは、 この表面張力が働いているからです。 逆さまにしてもこぼれない ［vis22］ 水には表面積を小さくしようとする力「表面 張力」が強く働いています。また、空気には 重さがあり、その「大気圧」によって、もの はどの方向からも押されています。この二つ の力によって水はこぼれないのです。 水の入ったコップにふるいの網目でふたを する。これを逆さまにしても、水の表面張力 と大気圧によって、水がこぼれません。 82 水再生センターのしくみ［vis23］ 水再生センターのしくみについて「芝浦水再 生センター」を例に、確認する（アニメーシ ョン） 。 芝浦水再生センター （施設航空写真） ［vis24］ 水再生センターのしくみについて「芝浦水再生 センター」を例に、その外観から確認する。 出典：Ｇｏｏｇｌｅ 83 芝浦水再生センター （施設内配置図、施設写真） ［vis25］ 「芝浦水再生センター」の各施設を紹介する。 ■画像 芝浦水再生センター（施設内配置図） 最終沈でん池 反応タンク 反応タンク（内部） 砂ろ過機 84 活性汚泥 ［vis26］ 人工的に育てられた多くの微生物を入れた汚泥。微生物が汚れを食べることによって水がき れいになる。 活性汚泥を入れた「しょりえもん」 活性汚泥のサンプル 活性汚泥の中の微生物 ［vis27］ ■紹介する微生物 １）アメーバ（Amoeba） ・分類･････肉質虫類 アメーバ目 アメーバ科 ・大きさ･･･小さい種類：長さ 0.03～0.04mm、大きい種類：長さ 0.3～0.5mm ・特徴･････形をかえながら動く。おもに細菌や小さい原生動物を食べる。 ２）ボルティケラ（Vorticella） ・分類･････繊毛虫類 縁毛目 ボルティケラ科 ・大きさ･･･長さ：0.025～0.05mm ・特徴･････形がお寺の釣鐘に似ているので、ツリガネムシと呼ばれる。いつも一匹でいる。 ３）アスピディスカ（Aspidisca） ・分類･････繊毛虫類 下毛目 アスピディスカ科 ・大きさ･･･長さ：0.025～0.05mm ・特徴･････卵の形をしており、背中にのこぎりのようなトゲがある。 ４）ブレファリスマ（Blepharisma） ・分類･････繊毛虫類 異毛目 ブレファリスマ科 ・大きさ･･･長さ：0.15～0.3mm ・特徴･････体はうすいピンクである。毛を動かしながら、ゆっくり泳ぐ。 ５）アルケラ（Arcella） ・分類･････肉質虫類 アルケラ目 アルケラ科 ・大きさ･･･長さ：0.03～0.25mm 高さ：0.025～0.08mm ・特徴･････半球形の殻にはいったアメーバ。写真は上からみたところ。食べ物は、0.001mm ぐらいの細菌などを食べている。 85 映像：アミーバとボルティケラ 出典：東京都下水道局 HP http://www.gesui.metro.tokyo.jp/kids/biozukan/gensei.htm 86 焼却灰 ［vis28］ 「焼却灰」は脱水した汚泥を焼却して灰にしたものです。 焼却処理によって汚泥はおよそ 1000 分の 1 に減量されます。その灰は、セメントや軽量骨材 の原料といった建設資材などにリサイクルして有効利用を図られています。 下水汚泥焼却灰レンガ 焼却灰 生活排水の割合 ［vis29］ 生活排水とは、台所、トイレ、風呂、洗濯な どの日常生活からの排水のこと。1 人が 1 日 に排水する量は 250ℓにのぼります。 参考文献：「生活排水読本」 （環境省 水資源部水環境管理課） 87 備考 水質汚濁の種類 有機物汚濁 富栄養化 有害物質による 汚染 工場や家庭から排出される有機物が原因。好気性微生物による 有機物の二酸化炭素や水への分解である自浄作用を超えた場 合、水中の酸素が不足し、硫化水素やアンモニアなどが生じ、水 質汚濁となる。 工場排水・生活排水、農業排水などに含まれるリン、窒素が原 因。水の流れが停滞する河川・湖沼・海洋に、リン、窒素などの栄 養塩類が大量に流入すると、これらを栄養源として植物性プランク トンや藻が異常発生し、水が赤褐色や茶褐色になり、赤潮やアオ コが発生する。 工場排水などに含まれるカドミウム、水銀などの重金属類やPCB （ポリクロロビフェニル）などが原因。食物連鎖を通じ、生物濃縮さ れて人体の健康に影響を及す。 微生物による 汚染 有害微生物（※1）による汚染が原因。家畜の糞尿などから食物や 水などを経由し、経口感染する事がある。 油汚染 船舶の廃油や海難事故などによる重油の流出が原因。 冷・温排水汚染 工場、発電所などからの冷・温排水が原因。まわりの環境よりも明 らかに温度の違う排水を放流している場所では、その付近の水域 の生態系が変わる場合がある。 自然汚染 温鉱泉からの酸性水の流入、地下水の塩水化などが原因。自然 界にある有毒成分が鹿の帯水層に流入・浸透して起こる汚染のこ と。 ※１．クリプトスポリジウム（有害微生物：塩素耐性の単細胞原虫）、赤痢菌、サルモネラ菌、 O-157（病原性大腸菌）など ■水を汚す生活排水 なにげなく流しているものが、どれだけ川や海を汚しているのかを示した表です。 わたしたちが流した水を魚が住める水質にするのに必要な水の量を、バスタブ（200ℓ）で換 算しています。 流すもの 天ぷら油 使用済み（20mℓ） 牛乳 コップ１杯（200mℓ） ビール コップ１杯（180mℓ） みそ汁（じゃがいも） お椀１杯（180mℓ） 米のとぎ汁（１回目） （500mℓ） シャンプー １回分（4.5ml） 台所用洗剤 １回分（4.5mℓ） 魚が棲める水質にするのに必要な水の量 （200ℓのバスタブで換算） 30杯分 16.5杯分 15杯分 180mg/ℓ ６杯分 １杯分 １杯分 参考文献: 「水の百科事典」 （高橋裕〔ほか〕 編／丸善 刊） 「水と水質環境の基礎知識」 「水ハンドブック」 （谷口たか幸 著／海象社 刊） 「NEDO（ネド）技術開発機構」HP 88 オイルボール ［vis30］ わたしたちの暮らし（台所など）から排出される油からできるオイルボールについて確認す る。 オイルボール オイルボールのでき方 参考文献：『油・断・快適！下水道 No213』東京都下水道局 しょうのう船の作り方 ［vis31］ 水の表面張力について、しょうのう船を用い て確認する。 89 水の構造、水分子の構造 ［vis32］ 水分子 H₂O は酸素原子を正四面 体の中心に置いた とき、O―H 結合はこの酸素原子から正四面体のほ ぼ頂点方向に伸びています。中心と頂点の距離、す なわち、O と H の距離は 0.957Åになります。また、 ２つの O―H 結合のつくる角度は 104.5°で幾何学的 な正四面体の中心角 109.5°と非常に近い値になって います。正四面体の残りの２つの頂点には酸素原子 の 2 個の 非共有電子対（孤立電子対：電子が 2 個ペ アになって他の原子との結合性を失ったもの）が配 向しています。 原子の大きさを表すのにファンデルワールス半径 (van der Waals radius)というのがよく用いられま す。分子性結晶を調べてみると、構成単位である各 分子の原子が一定半径の球のように充填していま す。この球の半径をファンデルワールス半径といい、 これは化学結合をしていないときの原子の大きさを 表すものと考えることができます。酸素原子のファ ンデルワールス半径 は 1.4Å、水素原子のファンデ スワールス半径は 1.2Åであり、これを水分子に当て はめてみると、水分子は全体として球に近い形にな ります。 ※1Åは 10 メートル) −10 m = 0.1nm(ナノメートル)= 100pm (ピコ ミネラル水の硬度表 ［vis33］ ■硬水と軟水 井戸水や水道水などの生活用水は、純粋な水ではなく、いろいろな不純物を含んでいて、そ れによって洗浄効果に影響する場合もあります。 特に、カルシウムイオン（Ca2＋)、マグネシウムイオン（MG2＋）は量的にも多く、石けんのは たらきに大きな影響があります。 ■ 硬度とは 水の中に含まれるカルシウムとマグネシウムの量を硬度と言います。単位はｄＨ（ドイツ硬 度）またはｐｐｍ（アメリカ硬度）で表します。アメリカ硬度は、水１ℓ中に含まれるカルシ ウムとマグネシウムの量を、炭酸カルシウム（CaCO３）の濃度に換算した重量（mg：ミリグラ ム）です。ドイツ硬度は、水１００mℓ中の酸化カルシウム（CaO）の重量（mg）に換算したも のです。ドイツ硬度とアメリカ硬度の関係は 1dh=17.8ppm で表されます。 硬度の低い水を軟水、高い水を硬水と呼びます。 （表参照）日本では、生活用水の 80%が、80ppm 以下の軟水ですが、地域によっては硬水を生活用水にしているところもあります。 参考文献：「被服整理学」朝倉書店 ■硬度の簡便計算式 硬度計算式＝総硬度（CaCO3(mg/ℓ)）=（Mg(mg/ℓ)×4.118）＋（Ca(mg/ℓ)×2.497） ※CaCO3：炭酸カルシウム、Mg：マグネシウム、Ca：カルシウム 90 （1990） ■水の硬度 硬 度 ｐｐｍ 0～60mg／ℓ 60～120mg／ℓ 120～180mg／ℓ 180mg／ℓ 軟水 中軟水 中硬水 硬水 出典：世界保健機関 (WHO) 飲料水水質ガイドライン 参考文献:「日本ミネラルウォーター協会」HP／生活と科学社 HP「石けん百科」 メーカー 商品名 国 採水地 品名 硬度 原材料名 PH値 mg/L 財宝 財宝 UCC 日本 天然水 日本 VOSS社 VOSS アサヒ飲 バナジウ ム天然水 料 サント サント リー天然 水 リー <南アル 大塚ベバ crystalge クリスタ yser レジ ルガイ ノル コカコーラ Minaqua 日本 キリン アルカリ イオンの 水 ダノン volvic ミナクア 日本 日本 アメリカ 合衆国 日本 鹿児島県垂水氏 ナチュラルミネ ラルウォーター 長野県安雲市金 鳥川 ヴォス 山梨県富士吉田 市 ナチュラルミネ ラルウォーター 山梨県北社市白 洲町 ナチュラルミネ ラルウォーター ウィード（シャスタ 水源） 富山県砺波市東 保 スプリングミネラ ルウォーター ナチュラルミネ ラルウォーター 2Ｌペットボトルの採水 地は静岡県御殿場市 （富士の伏流水）と石川 県白山市（白山の伏流 水） ボトルドウォー ター 温泉水 表示値 4 鉱水 軟水 8.90 ナトリウ カルシウ マグネシ カリウム 硬度 ム ウム ム （mg/L） （mg/L） （mg/L） （mg/L） 計算値 68.00 25 軟水 11.7 軟水 深井戸水 29 軟水 鉱水 30 軟水 6.70 6.50 湧水 38 軟水 7.00 鉱水 39.4 軟水 7.80 鉱水 59 軟水 鉱泉水 60 軟水 鉱泉水 1.80 0.20 1.30 0.50 5.80 2.60 4.28 3.46 0.75 7.50 2.50 1.00 29.02 9.70 1.50 2.80 30.40 11.30 6.40 5.40 1.80 38.22 7.60 11.00 2.90 1.30 39.41 8.00 13.00 6.80 1.60 60.46 7.00 11.60 11.50 8.00 6.20 61.66 7.40 16.90 25.10 5.20 0.30 84.09 24.00 33.00 20.00 6.80 164.76 3.8-7.6 8.8-9.4 備考 5.32 15.00 6.4 バナジウ ム (μg/L) 25.19 11.73 62.00 55.00 500mlペットボトル：群 馬県利根郡みなかみ ハウス食 六甲のお いしい水 品 霧島の天 然水 ノルレェイ sanbened ク・イン etto ターナ ショナル ACQUA PARADIS O ボル ヴィック フランス ピュイ・ドゥ・ドー ム、ボルヴィック 日本 神戸市灘区 日本 霧島山系 84 中軟水 鉱泉水 160 中硬水 スコルゼ(ベネチ ア） ナチュラルミネ ラルウォーター 鉱水 235 硬水 7.68 6.90 46.20 29.40 1.00 236.43 アクアパ ラディー イタリア ゾ 北東部フリウリ州 ポチェニア ナチュラルミネ ラルウォーター ？ 290 硬水 7.60 3.10 71.40 28.20 0.60 294.41 エビアン（カシャ水 源） ヴォージュ山脈の ヴィッテル ナチュラルミネ ラルウォーター ナチュラルミネ ラルウォーター スパークリング・ ナチュラルミネ ラルウォーター 鉱泉水 304 硬水 7.20 7.00 80.00 26.00 0.00 306.83 ？ 315 硬水 7.80 7.70 94.00 20.00 5.00 317.08 ？ 401 硬水 6.00 11.50 149.00 7.00 1.40 400.88 鉱泉水 610 硬水 1.20 182.00 41.00 0.60 623.29 ？ 627 硬水 7.60 3.00 222.00 18.00 1.60 628.46 ？ 834.3 硬水 8.61 299.90 331.90 1.10 7.80 833.28 ？ 1400 硬水 6.40 110.00 360.00 110.00 16.00 1351.90 7.40 evian エビアン フランス サント リー vittel ヴィッテ ル フランス ネスレ perrier ペリエ ランス 南フランスのヴェ ルジェーズ イタリア サンカンディード山 脈 フランス ヴォージュ地方 ナチュラ ンド本舗 鉱水 サンベネ イタリア デット ダノン サッポロ ナチュラルミネ ラルウォーター ナチュラルミネ ラルウォーター ナチュラルミネ ラルウォーター OXYGIZE オキシ R ジャイ ヴァット wattwiller ヴィレー ベストCa ウォー ゲロル Gerolstei シュタイ ner ナー コントレッ contrex クス courmaye クールマ ur イヨール 日本 ドイツ フランス イタリア ラインラント＝プ ファルツ州ゲロル シュタイン ヴォージュ山脈の コントレキセヴィル モンブラン山麓の クールマイヨール スパークリング・ ナチュラルミネ ラルウォーター ナチュラルミネ ラルウォーター ナチュラルミネ ラルウォーター 鉱水 1468 硬水 ？ 1612 硬水 9.40 468.00 74.50 2.80 1475.39 0.80 530.00 70.00 2.00 1611.67 ※ 2008 年 8 月～2009 年 2 月作成 凝集沈殿 ［vis34］ 凝集沈殿法によるろ過工程を紹介する際に、 示すキーワードグラフィック。 91 微炭酸水 発泡水 発泡水 オゾン浄水 ［vis35］ 浄水工程のオゾン浄水を紹介する際に、示す キーワードグラフィック。 塩素 ［vis36］ 残留塩素の検出実験時に示すキーワードグ ラフィック。 過冷却 ［vis37］ 過冷却実験の際に示すキーワードグラフィ ック。 92 界面活性剤 ［vis38］ ●界面とは 界面とは、表面ともいいます。界面（表面）とは、２つの性質の異なる物質の境界面のこと です。２つの混じり合わない物質の間には、必ず界面が存在します。 例えば、洗濯中の洗濯機の中を考えると、水と空気の界面、水と汚れの界面、水と衣類の界 面、汚れと衣類の界面、洗濯槽と水の界面のように、たくさんの界面が存在しています。 界面活性剤とは、このような界面に働いて、界面の性質を変える物質のことを言います。 ●界面活性剤のはたらき 水と油は、混じり合わないものの代表のように言われています。混じり合わない水と油の間 には界面が存在していますが、界面活性剤は、この界面に働いて界面の性質を変え、水と油 を混じり合わせることができるのです。 ●界面活性剤の性質 界面活性剤の分子は特徴的な形をしています。１つの分子の中に、水になじみやすい部分（親 水基）と水になじみにくい部分（疎水基）があり、一般的にはマッチ棒の形の模型で示され ます。 このような構造をしているため、界面活性剤は水と油の中を取り持ち、いろいろなはたらき をすることができるのです。 界面活性剤を水に溶かすと、疎水基の部分は水となじみにくいので、水から逃げようとしま す。 そうして、水の表面では、疎水基を空気のほうに向けて並びます。また、容器と水との 境目では、疎水基を容器のほうに向けて並びます。 水の中に油や固体があれば、それに疎水 基を向けます。 このように、界面活性剤は、水と空気の境目や、水と固体の境目、水と油の境目のような界 面に吸着するという性質があります。 界面への吸着の結果、界面の性質がいろいろに変化し ます。 ●界面活性剤と表面張力 界面の性質の変化のひとつに、表面張力の低下があります。表面張力というのは、簡単にい えば、水滴が丸まろうとする力、つまり、界面の面積をできるだけ小さくしようとする力の ことです。この表面張力が小さくなると、水滴があまり丸まらずに広がるので、ものが濡れ やすくなり、 洗うためには都合のよい状態になるのです。 界面活性剤の濃度を上げていくと、表面張力がだんだん小さくなっていきます。そして、さ らに濃度を上げていくと、ついには界面がすべて界面活性剤の分子に覆われてしまい、これ 以上界面に吸着できなくなります。 出典：生活と科学社 HP「石けん百科」 生活排水の汚れの割合 ［vis39］ わたしたちの暮らしから出される生活排水 の割合と量の年代変化を確認する。 93 川や海を汚す原因 ［vis40］ 生活排水の汚れの内容を確認する。 防水撥水の技術 ［vis41］ 撥水剤のしくみについて確認する。表面張力 の実験の際に掲示する。 94 95 補足：プログラム台本 96 97 環境実験プログラム『水ってなんだろう』 出演者役割分担について • • • 演示者：実験・解説の進行 助手 A：演示者の補佐、演示者とともに実験の遂行 助手 B：映像の操作、見学者の監視、演示者及び助手 A の補佐 開演前について • • • • • • 開場準備は場所・実験内容によって決定。 実演告知のため会場近くに実験内容や時間を記入した看板・パネルなどを設置。 助手は事前にリングベルを鳴らして、また、内容を告知して見学者を募る。また、集まった 見学者を整理する。 見学者の年齢・学年などを確認してプログラムの進行の目安とする（低年齢・学年の場合、 解説を減らすなど）。 開演時間になったら、呼び込みで、または唐突に演示者が登場。 出演者三人礼。演示者自己紹介してプログラム開始。 プログラムについて • • • 出演者の衣裳は自由。特に白衣着用の必要はなし。 進行のマイクについては場所と予算に応じて使用。 照明・音響等は基本的になし。会場の広さ、収容人員、電源環境、照明などを考慮の上、必 要に応じて準備する。 表の見方 • • • ［時間］はリハーサルに基づいたおおよその時間を記載した。 ［出演者の動き］、［主な解説・台詞］、［補足］は出演者の都合や実情に応じて若干の変 更はあり得るのでアレンジする。 ［発展的な解説］は見学者の年齢層などに応じて行う。 ねらい 水の三態を説明し、それらがどのように地球上を循環し、わたしたちのどのような姿で存在し ているかを解説するとともに、わたしたちの水環境における雨水利用に注目し、地下水の涵養、 枯渇した河川流域の復活など、健全な水の循環について理解を深める。 前説例 • • ［vis01］、水のイメージ（水・WATER・H2O の文字、水の写真） 水はわたしたちのまわりのいろいろな場所にいろいろな姿で存在しています。例えば海や川も水で す。また、雨も水です。雨が降ったら水たまりができますが、時間が経つとなくなります。これは、水 たまりの水が地面に浸み込みんだり、温められて蒸発したりするからです。 一方、冬など寒い朝に水たまりの水が凍っているときもありますね。 ［vis02］、水の三態 水は液体ですが、冷えて凍ると氷になります。氷は固体ですね。反対に水を温めると水蒸気という 気体になります。 水はわたしたちのまわりでどのように存在して、どんな役割をしているのでしょうか。 水のいろいろな変化についての実験をしてみましょう。 98 • 水の三態＝太陽系宇宙では、地球上のみが水が三態の状態で存在している。例えば、地球よ り内側の金星は高温のため気体として存在し、外側の火星は氷として存在している。 99 １－１ 水の三態について 導入：水の三態について、それぞれの性質を調べる。 進行 出演者の動き 時間 主な解説・台詞 実験 ２、３ 分 画像・パネル 演示者 助手 画像１：水の三態 実験１： 冷たいコ ップが汗 をかく 補足 わたしたちのまわりの空 気の中にも目には見るこ とができませんが水があ ります。それをなんとか見 てみましょう。 ここに銅のコップがありま す。ここに氷を入れます。 さらに水を入れます。か き混ぜると、コップのまわ りに水滴がついてきま す。 コップに 氷と水を 入れる。 コップを 演示者に 手渡す。 見学者に 見せ、触 らせる。 ただ、これは時間がかか りますので 15 分ほど前に 氷と水を入れたコップを 見てもらいます。 見て、触ってみてくださ い。コップのまわりに水滴 がついていますね。 画像切 替。 画像２：結露 この水滴はコップに触れ ている、目に見えない空 気中の水蒸気が冷やさ れて水になったもので す。 画像は結露という現象の 写真です。窓ガラスが露 でくもっています。みなさ んの家でも起きているこ とですが、冬の寒い日 に、外の温度と部屋の温 度の差があると、部屋の 空気中の水蒸気が外の 空気で冷やされた窓ガラ スに触れて水になったと いうことです。 コップのまわりの水滴と 同じことが起こっているわ けです。 100 発展的な 解説 液体→気体 会場の環境 によりコップ に水滴がつ かない場合 気温（室温） と水温の差 が大きいほ ど、また湿 度が高いほ ど水滴がつ きやすい。 ６、７ 分 実験２： 缶潰し実 験 画像３：水の三態 コップを 助手に手 渡す。 コップを 片付け る。 缶を手に 取る。 画像切 替。 木槌で叩 く。 水と水蒸気の変化につい て、別の実験をしてみま しょう。 ここに円筒状の缶があり ます。 この木槌で叩いてみま す。 思いきり叩いても、小さい 傷ができる程度ですね。 これを潰してみましょう。 水を手渡 す。 缶に水を 入れる。 缶をコン ロにかけ る。 参加者を 募る。 温度を測 る。 コンロを 用意す る。 たらいを 前にだ す。 じょうろを ３個用意 し、参加 者に手渡 す。 缶にふた をしてた らいに置 く。 参加者を 帰す。 コンロを 片付け る。 たらいを 片付ける （裏方スタ ッフが行 う）。 101 気体→液体 20ℓ丸缶（ペ ール缶）を 使用。 たらいの縁 に板をわた し缶を高く置 けるようにす る。 たらいの下 にブルーシ ートを敷い ておく。 缶の中に水を入れます。 水は 200mℓ 缶をコンロで熱しますと湯 気が出ますね。 この実験は三人の方に 手伝っていただこうと思 います。 適当な温度かどうか測り ます。 温度約 95℃。 この缶にふたをして大き なたらいに置きます。 缶が熱くな るので皮手 袋をする。 じょうろで缶に水をかけて みてください。「ポン！」と 勢いよく缶が潰れます ね。 じょうろを 回収す る。 液体→気体 これは、缶の中の水が水 蒸気になって大きくなっ て、中に入っていた空気 を押し出しました。中が水 蒸気でいっぱいになって いる缶に水をかけると、 水蒸気が冷やされて水に なり小さくなって、中の空 気がないので、缶が潰れ てしまうということです。 潰れるとき に水がはね るので、缶 の側面に水 をかけさせ る。 潰れないと きは、木槌 で側面を叩 く。 水は水蒸気 になるときに 体積が増 え、水蒸気 は水になる ときに体積 が減る。 ７、８ 分 次は水が氷に変化する 現象を見てみましょう。 実験３： シャーベ ットをつく ろう（過 冷却実 験） 液体→固 体：凝固、融 解熱 普通は水が氷になる瞬 間を見ることはできませ ん。 ※以下、クーラーボックス の説明は省略しても可。 画像４：過冷却 （ここに瞬間的に液体を 凍らせるクーラーボックス が二つあります。） （中に氷水が入っていて、 氷に直接触れないように ザル状の容器に液体の 入ったボトルが入ってい ます。） ※①と②はどちらが先で も可。 ①（一つのクーラーボック スの中に）ペットボトルに 入った炭酸水とファイブミ ニが冷やされています。 参加者を 募る。 塩の溶解度 は水 100g に 対して、塩 24.7g。 過冷却水： 0℃以下に なっても凍っ ていない 水。 ①予備実験 では-10.7℃ ～-9.7℃ この実験も二人の方に手 伝っていただこうと思いま す。 ボトルを ふいて参 加者の一 人に手渡 す。 ボトルを ふいて別 の参加者 に手渡 す。 炭酸水のボトルをテーブ ルにぶつけてみてくださ い。 凍っていくのがわかりま すね。 ファイブミニのボトルのふ たを開けてみてください。 ふたを開けると液体はみ るみるシャーベット状に凍 ります。 参加者を 帰す。 ボトルを 手に取 る。 クーラーボッ クスに寒剤 を入れる：氷 （クラッシュ アイス）10kg 塩 3kg をよく かき混ぜて 氷全体に塩 が均一にい きわたるよう にして約 -20℃で安定 させ、水を 入れて温度 調節。氷に 触れないよ うにしてボト ルに入った 液体を一時 間ほど冷や す。 ファイブミニ はラベルを はがす。 参加者に手 渡すとき、振 らせないよう にする。 実験時に液 体に極力振 動をかけな いように注 意。 ペットボト ルを手渡 す。 102 ②（もうひとつのクーラー ボックスには）ペットボト ルに入った水が冷やされ ています。 ②予備実験 では-7.3℃ ～-7.0℃、水 は純水。 純水：水の 中の塩素や 氷を置い たザルの セットを用 意し、手 渡す。 ザルを受 け取る。 水をザル にかけ る。 （助手が ザルを持 っても可） オプショ ン実験 １：ドライ アイスの 不思議 ザルに 5mm 角程度の氷 を一つ置いてあります。こ の氷が変化をもとになり ます。 氷の粒の上に注いでみる と、水はシャーベット状に 柱になって固まります。 固体である氷と気体であ る水蒸気について実験し ますが、氷は変化に時間 がかかるので、ドライアイ スで固体から気体への変 化を観察してみましょう。 ペットボト ルの中に ドライアイ スを入 れ、水を 少量入れ る。 ペットボト ルと細か くしたドラ イアイスと ビーカー に入った 水を用意 する。 風船を演 示者に手 渡す。 ペットボト ルの口に 風船を取 り付ける ペットボトルの中に細かく したドライアイスを入れ、 水を少し入れます。 ペットボトルの口に風船 を取り付けると、風船が 膨らみます。 これはドライアイスが気 体になって風船を膨らま せたことによります。 103 氷が反応を 容易に促進 させる。 失敗した場 合は炭酸水 で氷の柱を つくる。 ドライアイス は炭酸ガス が凍ったも の。 ミネラルを除 いたもの。イ オン交換水 や水を蒸発 させて冷や した蒸留水 をいう。さら に精製させ た水を超純 水といい、 LSI の洗浄 などに使用 する。 固体→気 体：昇華 オプショ ン実験 ２：くねく ねシート セロハン を見せ る。 ボールの 中にお湯 を入れて タオルを かぶせ る。 タオルの 上に人形 を乗せる （見学者 にやらせ てもよ い）。 オプショ ン実験 ３：蒸気 で火をつ ける ここにトレーシングペーパ ーやセロハンをいろいろ な形に切った人形があり ます。 ボールの中にお湯を入れ てタオルをかぶせます。 その上に人形を乗せると 人形がくねくねと動き出し ますね。 暖かく湿った空気（水蒸 気）がタオルを通過して、 シートを動かしているから です。 装置を用 意する。 フラスコの中に水を入 れ、ガスバ－ナーで熱す ると螺旋状の金属（銅）パ イプを通して湯気が出て きます。 パイプ部分を別のガスバ ーナーでさらに熱すると 湯気は見えなくなります が、見えない水蒸気が出 ています。 パイプの 先にティッ シュペー パーを近 づける。 パイプの先にティッシュペ ーパーを近づけるとティッ シュペーパーが黒くこげ ます。 ティッシュ ペーパー やマッチ をパイプ の先に近 づける。 マッチを近づけるとマッチ が燃え出します。 104 お湯の温度 が高いと動 きが早すぎ るため 45℃ ぐらいがセ ロハンの動 きが面白 い。 液体→気体 水蒸気が当 たった面が 膨張して反 り返る。繊維 の目によっ て反る方向 が異なる。 パイプの口 の水滴を常 に拭き取る ようにする。 液体→気体 再加熱する ことにより、 水蒸気の発 生を早め る。 液体である ところの水 は 100℃以 上にはなら ないが、気 体である水 蒸気を加熱 すると 200℃ ～300℃以 上になる. １－２ 地球の水循環について 導入：水が三態のうちで、それぞれどのような状態で存在しているか説明する。 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 １、２ 分 水はすがたを変えてわた したちのまわりに存在し ていますが、どういうとき にどんな状態で存在して いるのでしょうか。 画像５：地球の水循環 画像切 替。 わたしたちが普段、目に している水は川や池・湖・ 沼、そして海があります。 目には見えませんが地 面の中や植物の中にも 水はあります。 これらの水は太陽からの 熱によって蒸発して水蒸 気になります。水蒸気を 含んだ空気の塊は上空 で冷やされて、極小さい 水の粒や氷の結晶（氷 晶）になります。そうして 集まったのが雲です。水 の粒は氷晶に吸収され、 氷晶が大きくなって地面 に落ちます。落ちるときに 溶けて水になるのが雨で す。 ３、４ 分 川は海に流 れ込む。 直径 0.01mm 程 度。 水の粒は過 冷却の状 態。 溶けずに落 ちるのが 雪。 それでは実際に雨を降ら せてみましょう。 実験４： 雨を降ら せる ケースを 覆ってい る白布を 取る。 透明シー トを拭く （裏方スタ ッフが行 う）。 線香を点 火しケー スに煙を 入れる。 透明シートでできたケー スの上に試験管の中に 氷が入っています。加湿 器で暖かく湿った空気を 出しています。この部分 を海と仮定します。海の 水が温められ水蒸気とな ります。そうして雲になり ます。 線香を入れると雲ができ る様子がわかりますね。 空気は上に上り、冷やさ れ水になって落ちます。 これが雨です。ここでは 陸地や川に雨が降るよう にしてあります。 105 演示開始前 に加湿器の 電源（弱） を、実験の 15～20 分前 に氷を入れ る。 実際は陸地 からも水は 蒸発するが 海から蒸発 する水のほ うが多い。ま た、実際は 海に降る雨 のほうが多 い。 樹木の葉の 表面などか らの蒸発を 蒸散という。 １－３ 身のまわりの水循環について 導入：身近な水環境について説明する。 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 ３、４ 分 画像・パネル 演示者 画像６：緑地と更地の比較 写真 装置を用 意する （場合に より裏方 スタッフが 手伝う）。 見学者に 聞く。 解説 助手 画像切 替。 実験５： 雨水の 浸透モデ ル じょうろを 用意。 先程の雨を降らせる装置 で、緑地と更地に降った 雨の水の浸み込み方お 違いを見てみましょう。 大型のバットに透明の波 板とスポンジ乗せてあり ます。片方のスポンジに は水を充分に含ませ、緑 地のような湿った地面に 見立て、もう片方は水を 含ませずに、更地のよう な乾いた地面に見立てま す。 じょうろで同時に水をか けてみます。どちらのス ポンジに水が浸み込みや すいと思いますか。 実験して確かめてみまし ょう。 水をかけ る。 補足 水をかけ る。 じょうろと 装置を片 付ける （場合に より裏方 スタッフが 手伝う）。 106 水を含ませてないほうの スポンジは水がスポンジ の上をすべって流れます が、水を含ませているほ うのスポンジは水が浸み 込んでスポンジの下の波 板から流れ出てきます。 植物などがある緑地は植 物が水を含むため（保水 力がある）、地面が湿っ ていて水が地面に浸み 込みやすくなっています。 地下水の利用ができ、水 災害が起こりにくいです。 更地は水を含んでいない ため（保水力がない）、地 面がかわいていて水が 地面に浸み込みにくいた め、地下水の利用が難し く、水災害も起こりやすい といったことがあります。 緑地のイメ ージ：森林、 草原更地の イメージ：宅 地造成地、 はげ山 波板とスポ ンジは傾斜 をつける。 水を含ませ ないスポン ジは防水ス プレーをふ きつけ、水を 含ませるス ポンジは界 面活性剤入 りの洗剤を 1、2 滴だけ 入れた水バ ケツにスポ ンジをつけ て水を含ま せる（説明 は不要）。 水を含まな いスポンジ は水の分子 同士が表面 積を小さくす るために互 いに引き合 おうという分 子間力が働 く。表面張力 という。新し いスポンジ は水が浸み 込みにくいと いうのも同じ 現象。（表面 張力の画 像） 土壌流失： 水が地表を 流れていく 際に、表面 の地面が削 られて土砂 が流れる現 象。植物の 根が土壌に はっていて、 それによる 土壌の流失 の抑止効果 もある。 ３、４ 分 画像７：わたしたちの身の まわりの水環境 画像切 替。 実験６： 地下水 の流れと 川の流 れ 先程の雨を降らせる装置 で、陸地と川に降った雨 の違いを見てみましょう。 この装置は水の流れを比 較する装置です。 水の入っ たビーカ ーを二つ 用意。 . 水を入れ る。 水を入れ る。 透明なパイプが二本あり ます。片方に砂を入れて 地下に見立てます。もう 片方には何も入れない で、こちらは川に見立て ます。 両方のパイプに同量の水 を同時に注ぐと、何も入 れていないほうは早く水 が流れます。 実験の進行 の円滑化の ために、両 方のパイプ に水を 500mℓ入れ ておく。 砂は 1kg。 入れる水は 500mℓ 川は地中に比べて水を 通りにくくするものがない ため早く流れて行きま す。そうして、海に流れ込 みます。 砂が入っているほうは、 砂の中を水が通過してい きます。 これが地下水のしくみで す。まずは、地下水は川 の水源であるということを 知っておいてください。 地面に降った雨はもちろ ん蒸発もしますが地面の 中に浸み込んでもいきま す。そうして、時間が経っ てから地面を出て川の水 になります。この水もまた 海に流れ込みます。 付け加えると川の中にも 川底は土になっていて、 その中にも地下水が流れ ています。 山間部の谷 間などで湧 き出ている 地下水が川 の源流にな っている。 地下水が水 の放出を長 期にわたる ようにする はたらきをし て、川の水 量を一定化 している。 川底の地下 水を伏流水 という。 107 １－４ まとめ（わたしたちのまわりの水循環） 進行 出演者の動き 時間 実験 ３、４ 分 発展的な 主な解説・台詞 画像・パネル 画像８：水の三態 演示者 補足 解説 助手 画像切 替。 水はいろいろすがたを変 えてわたしたちのまわり にあります。 水の三態＝ 太陽系だ と、地球だ けが水が三 態の状況で 存在してい る。例えば、 地球より内 側の金星は 高温のため 気体として 存在し、外 側の火星は 氷として存 在している。 温められると水蒸気にな って、冷やされると氷にな ります。水は人や生き物 が生活できる温度の中 で、三態を見ることのでき る稀な物質です。 画像９：地球の水循環 画像 10：わたしたちの身の まわりの水環境 画像切 替。 画像切 替。 そうして、水はわたしたち のまわりをまわっていて、 雨が降ったり、雪が降っ たりして天気の変化もお こしています。 降った雨のうちで、陸地 に降った雨は川に流れた り、また蒸発したり地面に 浸み込んで地下水になっ たりします。また、森林に 水を蓄え、田畑を潤しま す。地下水も時間が経っ て川の水になります。 川に降った雨は川として 流れ、もちろん蒸発もしま すし、川底の地下水にも なります。 川の水は海に流れ込み ます。 水がきちんとわたしたち のまわりをまわっていな いと、例えば、雨が降らな くなって水不足になります し、激しい雨が降り続くと 川の水があふれたり、土 砂くずれといって地面の 土が流されたりします。 108 地球の表面 の 70%は水 で覆われて いて、およそ 13 億 8 千キ ロ立法メート ルの水があ るといわれ ている。 そして、その 量はほとん ど変化しな い。 画像切 替。 画像 11：緑地と更地の比 較写真 特に近年、都市化の影響 で森林の木や草原など の植物が切られたりし て、地面が更地になり水 を含まなくなったりしてい ます。また、コンクリート やアスファルトの地面や 道路では、水が浸み込み ません。 その結果、水がきちんと 循環しなくなって土砂くず れや川の水があふれた り、道路や家が水びたし になったりする水災害が 多くなります。 水環境を守るためにどん なことが必要でしょうか。 ①水不足に備えるために 貯水池や必要に応じてダ ムを作る。 ②川の水があふれないよ うに堤防を作る。 ③水が地面に浸み込む ようにまた、地面の土が 流されないように木や植 物を植える。 といったことが考えられま す。 109 基本的に自 然環境を守 ることを前提 としつつ、貯 水や防災対 策を行う。 また、植物 の持つ保水 力も利用す る。 １－５ 水をつくろう（爆鳴気） 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 ６、７ 分 最後にみんなで水を作っ てみましょう。 実験７： 水をつく ろう（爆 鳴気） 風船を見 せる。 シャボン 玉を膨ら ませる。 シャボン 液の入っ た洗面器 を用意す る。 風船を用意 する。 シャボン液 の割合は 水：界面活 性剤入り洗 剤： PVA=10:1:2 。 爆鳴気とい う。 酸素だけだ と燃えず、 水素だけだ と音を立て ずにパッと 燃える。 透明チュ ーブを用 意する。 混合ガス をビニー ルチュー ブに通 す。 この混合ガスでシャボン 玉を膨らませます。 シャボン玉に火を点ける とパンと音を立てて爆発 します。 シャボン 玉に火を 点ける 先端を持 つ。 この風船の中には水素と 酸素が 2 対 1 で混じって 入っています。 もう片方 の先端を 持つ。 シャボン 玉をつく る。 今度は透明チューブをみ んなで持ってみましょう。 先ほどの風船の混合ガ スをビニールチューブに 通してシャボン玉を作り ます。 シャボン玉が浮けば混合 ガスがチューブに溜まっ たということです。 着火装置をビニールチュ ーブの入口に着けて火花 を飛ばして点火します。 着火装置 で点火す る。 パンという破裂音とともに 閃光が走ります。ビニー ルチューブを見ると微か に水滴が付いているのが わかりますね。 これは水素と酸素が混じ った混合ガスが燃やされ ると、水がつくられるから です。 110 見学者の人 数によって ビニールチ ューブの長 さを変える。 ビニールチ ューブにあ らかじめ水 素と酸素の 混合ガスを 入れておく。 混合ガスは 空気より軽 いため。 111 環境実験プログラム 『わたしたちが使う水：飲み水と水』 出演者役割分担について • • • 演示者：実験・解説の進行 助手 A：演示者の補佐、演示者とともに実験の遂行 助手 B：映像の操作、見学者の監視、演示者及び助手 A の補佐 開演前について • • • • • • 開場準備は場所・実験内容によって決定。 実演告知のため会場近くに実験内容や時間を記入した看板・パネルなどを設置。 助手は事前にリングベルを鳴らして、また、内容を告知して見学者を募る。また、集まった 見学者を整理する。 見学者の年齢・学年などを確認してプログラムの進行の目安とする（低年齢・学年の場合、 解説を減らすなど）。 開演時間になったら、呼び込みで、または唐突に演示者が登場。 出演者三人礼。演示者自己紹介してプログラム開始。 プログラムについて • • • 出演者の衣裳は自由。特に白衣の必要はなし。 進行のマイクについては場所と予算に応じて使用。 照明・音響等は基本的になし。会場の広さ、収容人員、電源環境、照明など考慮の上、必要 に応じて準備する。 表の見方 • • • ［時間］はリハーサルに基づいたおおよその時間を記載した。 ［出演者の動き］、［主な解説・台詞］、［補足］は出演者の都合により実情に応じて若干 の変更はあり得るのでアレンジする。 ［発展的な解説］は見学者の年齢層などに応じて行う。 ねらい 「わたしたちが使う水」の性質について説明し、その水が地球上をどのように循環し、わたし たちのもとに届くのか、水道の浄水システムに触れながら解説する。また、水資源の重要性につ いてバーチャルウォーター（仮想水）の考え方で、わたしたちが多くの水を消費していることに ついて理解を深める。 前説例 • • • ［vis01］水のイメージ（水・WATER・H2O の文字、水の写真） 喉が渇くとミネラルウォーターを飲みます。手を洗ったり、料理に使ったり、わたしたちの生活に水 はかかせませんが、使える水と使えない水ってあるのでしょうか。 わたしたちの生活の身近なところに水はあります。水道の蛇口をひねると簡単に水が出てきます。 水はどのようにしてわたしたちのもとに届くのでしょう。 112 ２－０ きき水 導入：飲み水の説明のために事前にきき水をさせる。 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 事前調 査：きき 水 画像・パネル 演示者 解説 助手 画像１：タイトル画像 画像２：きき水グラフ 補足 これから、わたしたちが 使う水についての実験と 解説をしますが、その前 にみなさんに協力をして いただきたいと思いま す。 コップの 置いてあ るお盆 （ワゴンな どで）を出 す（テー ブルに置 いておき 指し示 す）。 画像切 替。 ボードを 持って見 せる。 ここにたくさんのコップが あります。三種類の水が 入っていて分かれておい てあり、それぞれに色と 番号のついたシールが 貼ってあります。 また、ここに水の味の特 徴を示すボードがありま す。 それでは、三種類の水を 飲み比べてみてシールを ボードに貼ってみてくださ い。 これらの水の正体はこれ から行う実験の中で説明 していきます。 見学者に 水を飲ま せる。 113 コップは見 学者の人数 に合わせて なるべく多く 事前に用意 する。 ２－１ からだに必要な水 導入：使用できる水について説明する。 進行 出演者の動き 時間 実験 １、２ 分 発展的な 主な解説・台詞 画像・パネル 画像３：人が１日に必要と する水の量 演示者 補足 解説 助手 画像切 替。 人間のからだは水ででき ているといえます。大人 では男性で 60%、女性で 50%が水分です。 そして一日で約２．２ℓの 水を取り入れて、同じ分 だけ水を出しています。 からだの中をめぐってい る水は腎臓でろ過されて きれいな水に再生され、 不要物は尿として出され ます。 画像切 替。 画像４：海水と淡水の分布 女性は脂肪 分が多い。 からだの代 謝でも 0.3ℓ の水をつく る。 出て行く水 は尿 1.5ℓ、 汗 0.6ℓ、呼 気 0.3ℓ、糞 便 0.1ℓ。 それでは、わたしたちが からだに取り入れる水は どんな水なのでしょうか。 地球の水の 97.4％が海 水で淡水（塩分を含まな い水）は 2.6％しかありま せん。 わたしたちがからだに取 り入れることのできる水 は淡水だけです。 114 からだに必 要な水①生 理食塩水： 人間や多く の補乳類の 血液の濃度 と同じ 0.9% の食塩水 で、体内へ の水分補給 を用意にす る。点滴時 に薬剤をも 投与できる。 ②スポーツ ドリンク：ミネ ラルや糖分 を含む。生 理食塩水に 近い浸透圧 で吸収され やすい。 海水を淡水 へ①蒸発 法：海水を 加熱して蒸 発させ水蒸 気を冷や す。②逆浸 透法：容器 を半透膜で 仕切り、淡 水と海水を 分けると、淡 水から水分 子が海水に 移動する が、この際 に海水に浸 透圧より大 きい圧力を かけると海 水から水分 子が淡水に 移動する。 ２－２ 水の性質について 導入：使用できる水について、飲み水について調べる。 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 画像２：きき水グラフ 演示者 解説 助手 画像切 替。 ボードを 持って見 せる。 からだに取り入れる水 で、まず飲み水について 取り上げましょう。先程行 った水の飲み比べの結 果を見てみましょう。 多少のばらつきはありま すが、だいたい味の傾向 はボードに表れているよ うです。 115 補足 ２、３ 分 実験１：ミ ネラルウ ォーター の正体 １と 2 のミ ネラルウ ォーター が入った ビーカー を用意。 画像切 替。 画像５：標準色（全硬度） 試薬のパ ックを出し て水を吸 い取る。 さて、水の正体を明かし ますと 1 が国産のミネラ ルウォーターで 2 が contrex というヨーロッパ から輸入したミネラルウォ ーターです。 1 と 2 の水が入ったビーカ ーがあります。それぞれ の水を試薬の入ったパッ クで吸い取ってふってみ ます。 1 のペットボトルの水は薄 い紫に、2 の片方のペット ボトルの水は濃い紫に変 わりました。 パックを ボードに 合わせ る。 色が薄い紫を軟水、濃い 紫を硬水といいます。 ミネラル（カルシウムやマ グネシウム）を多く含む水 を硬水、あまり含まない 水を軟水といいます。 1 は予備実 験では南ア ルプスの天 然水を使 用。contrex は硬水の特 徴を顕著に 表わし、味も 独特なので 使用。 国産のミネ ラルウォー ターはヨー ロッパなど のミネラル ウォーターと 違い、実際 は多くのミネ ラルを含ん でいるわけ ではない。 試薬：フタレ インコンプレ クソン。反応 時間は約 30 秒。 予備実験で は南アルプ スの天然水 で硬度 30mg/ℓ。 contrex で硬 度 1400mg/ ℓ。 ミネラルの 特徴①人の 体の構成成 分をつくる。 ②生理作用 の調整をす る。③必要 量は微量だ が、体内で つくれない ため、食物 からの摂取 が必要。 硬度は水１ℓ のカルシウ ムやマグネ シウムの量 を炭酸カル シウムの量 に換算した もの。 日本の河川 水や水道水 の多くは 60mg/ℓ、以 下の軟水 で、石灰岩 地帯を流れ るヨーロッパ や中国は 200～ 400mg/ℓとい う硬水。 軟水と硬水の違いを目で 見てみましょう。 ２、３ 分 実験２： 水の泡 立ちくら べ 石鹸と泡 立てネッ トを用 意。 硬水と軟 水の入っ たトレイを 用意。 固形石鹸 をネットで 泡立て る。 固形石鹸 をネットで 泡立て る。 116 トレイの中に硬水と軟水 が同じ量だけ入っていま す。泡立てネットを水に浸 し、固形石鹸をネットで泡 立ててみます。 軟水は泡立ちがいいです が、硬水は泡立ちがよく ありません。ミネラルが多 く含まれていると石鹸の 泡立ちがよくないというこ とが言えるようです。 手洗い桶と タオルを用 意しておく。 温泉で石鹸 を使ったとき も、泡立ち がよくない。 カルシウム やマグネシ ウムが多く 溶け込んで いるため。 実際には石 鹸と金属イ オン（カルシ ウムイオン など）が反 応して、金 属石鹸（カ ルシウム石 鹸）と呼ばれ る水に溶け ない物質に なり、洗浄 力が落ちる ため。 １分 画像６：おいしい水の条件 画像切 替。 おいしい水の条件はいく つかありますが、 ①ミネラルがほどよく溶 けている水：コクのあるま ろやかな味。 ②炭酸ガスがほどよく溶 けている水：さわやかな 味。 昭和 60 年厚 生省「おいし い水の水質 条件」の一 部より ①硬度は 10 ～100mg/ℓ。 蒸発残留物 は 30～ 200mg/ℓ ②3～30mg/ ℓ. 4mg/ℓ以下、 ③酸素がほどよく溶けて いる水：まったくないと味 が悪い。 ④水温が 10～15℃：温ま るとにおいが加わり、冷 たすぎると口の中の感覚 が麻痺する。 硬度の説明 は前述。 蒸発残留物 はミネラル （ナトリウム・ カリウム・鉄 などの鉱物 質）で沸騰さ せても蒸発 しない。 ④20℃以 下。 ⑤中性または中性に近 い水。 ２、３ 分 実験３： 水道水 の正体 3 の水導 水と浄水 が入った ビーカー を用意。 なお、先程のきき水の実 験で残った 3 は、水道水 です。水道水がいやな臭 いをすることがあります が、水道水が殺菌のため に塩素消毒されており、 その塩素が残っているた めです。 昭和 60 年厚 生省「おいし い水の水質 条件」では 残留塩素は 0.4mg/ℓ以下 とされてい る。 水道水に実際に塩素が 入っているかどうか。浄 水と比べてみましょう。 試薬をビ ーカーに 入れてか き混ぜ る。 試薬をビ ーカーに 入れてか き混ぜ る。 先程飲んでもらったもの と同じ水道水と浄水の入 ったビーカーがあります。 水はそれぞ れ 300～ 500mℓ。 ここに試薬を入れてかき 混ぜてみます。 試薬：DPD 試薬による DPD 法＝ジ エチルパラ フェニレンジ アミン法 浄水は色が変わりません が、水道水は色が薄いピ ンク色に変わりました。水 道水に塩素が残っている ためです。 浄水器で塩 素を取り除く ことができ、 また、汚染 物質や有害 物質を取り 除くことがで きる。ただ し、塩素を取 り除くことに より、細菌が 発生しやす くなる。 117 日本では水 に対しての 安全管理が 高く、水道法 で塩素殺菌 が定められ ており、水に よる病気が 発生しにく く、伝染病も 蔓延しにく い。水道水 は残留塩素 が 0.1mg/ℓ 以上と決め られている。 ２―３ 浄水のしくみ 導入：水が家庭に届くまでを浄水のしくみについて解説する。 進行 出演者の動き 時間 実験 ２、３ 分 発展的な 主な解説・台詞 画像・パネル 画像７：わたしたちのまわ りの水環境 演示者 解説 助手 画像切 替。 わたしたちが使用する水 道水がどこから来るので しょうか。 多くは、川や湖などの水 が水源となっています。 画像８：金町浄水場（1）航 空写真 画像９：金町浄水場（2）施 設配置図 ただし、そのままでは川 や湖などの水をのむこと はできませんね。 画像切 替。 画像切 替。 水道水はいったん浄水場 というところできれいにな ってからわたしたちの家 庭に届きます。 ここでは実際の浄水のし くみを見てみましょう。 浄水場で水は、まず沈殿 池で大きなごみや砂を沈 殿させます。そしてポンプ に送られます。 画像 10：金町浄水場（3）各 施設写真―沈澱池 画像 11：浄水のしくみ 画像 12：凝集のしくみ 補足 画像切 替。 画像切 替。 画像切 替。 118 今度は凝集剤というもの を入れます。これは水に 混じっている細かなごみ や濁りを集めて固まりに するものです。 水源①地表 水：河川や 湖沼、ダム 湖など②川 底の砂利層 を流れる伏 流水③地表 面の下を流 れる地下水 や井戸水 ２、３ 分 実験４： 水のごみ を集めて 固める 土を混ぜ た水の入 ったビー カーを用 意。 画像 11：浄水のしくみ 凝集剤を 入れてか き混ぜ る。 画像 off、 カメラ on ここに土を混ぜ入れた水 があります。濁っているこ とがわかりますね。 この水に凝集剤を加えて かき混ぜます。すると液 体は澄んではきて、水に 混じっている細かなごみ や濁りが小さな固まりに なって沈んできました。 カメラ off、画像 on 珪藻土：家 の壁などに 使われる土 を水 2ℓに対 して 3g。 凝集剤：硫 酸アルミニ ウム（硫酸 バンドとも呼 ぶ）12mℓ。 1 分間ほど 早く攪拌し、 さらに 1 分間 ほどゆっくり 攪拌する。 実際の浄水 場の水に近 い。 浄水の過程 においての 凝集は日本 の発明であ る？ ２、３ 分 実験５： オゾンで 浄水 画像 13：金町浄水場（3）各 施設写真―オゾン発生器 画像切 替。 凝集された水は、次にオ ゾン消毒されます。 オゾンの効果をわかりや すくするために、ここに薬 品で青く変色させた液体 が二つの大型試験管を 用意しました。 浄水場では より凝集し やすい、ポリ 塩化アルミ ニウムを使 用している が、硫酸ア ルミニウム は入手が容 易。 アルミニウ ムはアルツ ハイマー症 の原因など とも言われ ているが、 浄水場では 取水の汚染 度に合わせ て凝集剤の 量をきめ細 かく調整して おり、ほとん どアルミニ ウムは残存 しない。 オゾン：強い 酸化力を持 ち、有機物 の分解だけ ではなく、殺 菌・脱色・脱 臭効果もあ る。 試料はイン ディゴブル ー（ジーンズ の染色など に使用され る染料） を 使用。 水 1ℓに対し て 6mℓ。 試験管の背 景として白 い紙を用意 する。 片方の試験管には空気 だけを、もう片方には空 気とオゾン発生装置でオ ゾンを送り込みます。 オゾンを送った試験管は しだいに水の色が薄くな って澄んでくることがわか 119 オゾンの臭 気を取るた め脱臭機の 準備も考慮 する。 予備実験で は約 1 分で オゾンには 毒性がある が、通常の 臭気を感じ る程度 （0.1ppm 程 度）では人 りますね。 スイッチを 入れる。 スイッチを 切る。 ２分 実験６１：汚水 のろ過実 験開始 画像 11：浄水のしくみ 画像切 替。 次に塩素を入れて、水に 含まれているアンモニア・ 鉄・マンガンなどを酸化し て取り除きます。 さらに次の段階として水 はろ過されます。 ここに汚れた水がありま す。この水をろ過装置で ろ過します。ペットボトル を切って逆さまにしてスタ ンドに立てました。上のペ ットボトルには砂が下の ペットボトルには活性炭 が入っています。 汚れた水 を装置に 入れる。 １分 珪藻土を混 ぜた水を 1ℓ ほど。 汚れた水を装置に注ぎ入 れます。 実験７： 汚水のろ 過モデル 装置 水がろ過されるまでの 間、ろ過のしくみをこの装 置で説明します。 透明アクリルパイプに目 の大きさの違う網がセット され、三つの層になって います。中には水が入っ ています。網をろ過の 砂、砂利の隙間と見立て ます。 ビーズ玉 をパイプ に入れ る。 透明にな る。 ビーズ玉 を用意。 ビーズ玉を汚れの粒と見 立てて、大きさの異なる ビーズ玉を入れるとビー ズ玉はゆっくり落ちて行 きます。 ろ過完了ま で約 4 分。 ビーズ玉は 界面活性剤 を少量入れ た水に浸け て、なじませ ておく。 大きなビーズ玉は一番上 で止まってしまいます。小 さなビーズ玉は下のほう まで落ちて行きます。 １分 実験６２：汚水 のろ過実 験開始 さて、ろ過した水はどうな ったでしょうか。 砂を通り、活性炭を通過 して落ちてきた汚れた水 は澄んで透明になってき ました。 １分 浄水のしくみの最後とし て、消毒としてまた塩素を 加えて、わたしたちの家 庭に届けられます。 120 この塩素が 残留塩素。 体に悪影響 はない。ち なみに日本 の作業環境 におけるオ ゾン濃度基 準値は 0.1ppm であ る。 ２－４ まとめ（日本は水輸入大国） 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 ３、４ 分 地球にはわたしたちが使 える水である淡水は実際 どのくらいあるでしょう か。もう少し詳しく説明し ましょう。 画像 14、地球上にはどのく らい水があるか 画像切 替。 （以下、選択でも可） ① （以下、選択でも可） ①地球の直径は約 13,000km あります。海水 を含めたすべての水を集 めた球があるとすると、そ の直径は約 1,400km で す。淡水だけを集めた球 の場合の直径は約 400km ですが、わたした ちが使える水を集めた球 では、直径は約 70km に すぎません。 画像切 替。 ②地球の水の全部の量 は約 13 億 8,000 万立法 キロメートルです。淡水 は約 3,600 万立法キロメ ートルで、わたしたちが使 える水は 18 万立法キロメ ートルしかありません。 画像切 替。 ③地球の水の 97.4％が 海水で淡水は 2.6％しか ありません。さらにわたし たちが使える水は 0.01％ ほどにすぎません。 ② 国土交通省 白書「日本 の水資源」 平成 16 年版 より 淡水のうち 4 分の 3 近く が氷河で、4 分の 1 近く が地下水と して存在し、 川や湖、沼・ 池など地表 付近に存在 する淡水は 極めて少な い。 これらを身近なもので比 べてみましょう。 （以下、選択でも可） ① 画像切 替。 （以下、選択でも可） ①お風呂の水一杯を地 球の水の全部の量と考え ると、わたしたちが使える 水の量は大さじ２杯弱の 約 26mℓ程度です。 ② 画像切 替。 121 ②淡水の総量を 1mℓとす ると、地球の水の全部の 量は 2ℓのペットボトルで 3.8 本分 7.7ℓになります。 風呂の水一 杯を 180ℓと する（以下 同様）。 容器を指 す。 画像 off 先程、ろ過を説明するた めに使用した容器に入っ た水が約 9ℓで、これが地 球の水の全部の量と考え ますと、淡水の総量は 234mℓになります。 わたしたちが使える水の 量を筒からスポイトで取 り、試験管に入れてみま す。 水をスポ イトで取 り、試験 管に入れ る。 ほとんど見えませんね。 約 0.9mℓですが、これが わたしたちが使える水の 量です。 このように地球にはたくさ ん水があるように思えま すが、わたしたち使える 水は少ないということで す。 画像 7：わたしたちのまわり の水環境 画像 on 画像 15：ダムの水位 画像切 替。 （平成 20 年 7 月 1 日と８月 31 日） わたしたちが使用できる 水―淡水は浄水場でさま ざまな行程を経てわたし たちの家庭に届きます。 また、もともとの川や湖な どの水は天候によっても 左右されます。夏場の水 不足ということを聞いたこ とがあると思います。 ここにダムの写真があり ます。ダムは川や湖の水 を調節して、水をわたした ちの家庭に確実に届けさ せる施設です。真夏の前 の写真は水がたくさんあ りますが、真夏を過ぎると 水はだいぶ減っていま す。 画像 off また、わたしたちが使う水 は今まで説明してきた 122 四国吉野川 水系の さ め う ら 早明浦ダ ム：吉野川 は徳島・香 川両県の水 源となって おり、ダムは 吉野川の上 流にある。 水：目に見える水だけで はありません。目に見え ない水もあります。 画像 16：日本は水輸入大 国 画像 on ① ② 画像切 替。 画像切 替。 画像 17：日本への品目別 仮想投入水量 画像 18：わたしたちができ ること。 画像切 替。 わたしたち人間だけでは なく、植物や動物も水が なくてはいけませんね。 つまり、わたしたちが普 段食べているご飯やパ ン、また野菜や肉なども それらを作る、育てるた めには水がなくてはなり ません。 例えば、①ご飯茶わん一 杯を炊くためにはコップ 一杯 180mℓぐらいの水し か必要ありませんが、稲 を植えて育てて刈り取り、 茶わん一杯のご飯にする には 278ℓの水が必要で す。これはお風呂約 1.5 杯分にあたります。②牛 肉 1kg では牛に飲ませる 水、牛が食べる餌を育て るために必要な水など、 それらを合わせて考える と 20,600ℓの水が必要で あり、お風呂約 103 杯分 にあたります。 そして、日本は食べ物の 多くを外国から輸入して います。ということは、水 も輸入していると考えら れます。 わたしたちができることと して水を大切にすること はいうまでもありません。 ①手や顔を洗うとき、歯 をみがくときなどは、なる べく水を出しっぱなしにし ない。 ②風呂の水を洗濯などに 利用する。 ③雨水を貯めておいて、 植木用の水にする。 ④なるべく食べ残しをしな い。 123 バーチャル ウォーター （仮想水）： 食物生産に かかる水を 計算によっ て算出した もの。 日本の食物 自給率は 40％（農林 水産省総合 食料局「日 本人の食卓 の現実（平 成 16 年）」と 他の先進国 と比べ低 い。 東京大学生 産技術研究 所では、 2000 年のデ ータをもとに 食物生産に かかる水を 日本は約 640 億立方 メートルと算 出。 ２－５ 水をつくろう（爆鳴気） 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 実験８： 水をつく ろう 最後にみんなで水を作っ てみましょう。 風船を見 せる。 シャボン 玉を膨ら ませる。 シャボン 液の入っ た洗面器 を用意す る。 シャボン 玉に火を 点ける。 この風船の中には水素と 酸素が 2 対 1 で混じって 入っています。 この混合ガスでシャボン 玉を膨らませます。 シャボン玉に火を点ける とパンと音を立てて爆発 します。 先端を持 つ。 混合ガス をビニー ルチュー ブに通 す。 シャボン 玉をつく る。 今度は透明ビニールチュ ーブをみんなで持ってみ ましょう。 先程の風船の混合ガス をビニールチューブに通 してシャボン玉を作りま す。 シャボン玉が浮けば混合 ガスがビニールチューブ に溜まったということで す。 着火装置 で点火す る。 着火装置をチューブの入 口に着けて火花を飛ばし て点火します。 パンという破裂音とともに 閃光が走ります。ビニー ルチュ－ブを見ると微か に水滴が付いているのが わかりますね。 これは水素と酸素が混じ った混合ガスが燃やされ ると、水がつくられるから です。 124 シャボン液 の割合は 水：界面活 性剤入り洗 剤： PVA=10:1:2 。 爆名気とい う。 酸素だけだ と燃えず、 水素だけだ と音を立て ずにパッと 燃える。 透明チュ ーブを用 意する。 もう片方 の先端を 持つ。 風船を二つ ほど用意す る。 見学者の人 数によって ビニールチ ューブの長 さを変える。 ビニールチ ューブにあ らかじめ水 素と酸素の 混合ガスを 入れておく。 混合ガスは 空気より軽 いため。 125 環境実験プログラム 『わたしたちが使った水：生活排水』 出演者役割分担について • • • 演示者：実験・解説の進行 助手 A：演示者の補佐、演示者とともに実験の遂行 助手 B：映像の操作、見学者の監視、演示者及び助手 A の補佐 開演前について • • • • • • 開場準備は場所・実験内容によって決定。 実演告知のため会場近くに実験内容や時間を記入した看板・パネルなどを設置。 助手は事前にリングベルを鳴らして、また、内容を告知して見学者を募る。また、集まった 見学者を整理する。 見学者の年齢・学年などを確認してプログラムの進行の目安とする（低年齢・学年の場合、 解説を減らすなど）。 開演時間になったら、呼び込みで、または唐突に演示者が登場。 出演者三人礼。演示者自己紹介してプログラム開始。 プログラムについて • • • 出演者の衣裳は自由。特に白衣の必要はなし。 進行のマイクについては場所と予算に応じて使用。 照明・音響等は基本的になし。会場の広さ、収容人員、電源環境、照明などを考慮の上、必 要に応じて準備する。 表の見方 • • • ［時間］はリハーサルに基づいたおおよその時間を記載した。 ［出演者の動き］、［主な解説・台詞］、［補足］は出演者の都合により実情に応じて若干 の変更はあり得るので、アレンジする。 ［発展的な解説］は見学者の年齢層などに応じて行う。 ねらい 生活排水による水質汚染について説明し、原因のひとつである洗剤による水の汚れについて触 れる。そしてわたしたちに暮らしから排出される「わたしたちが使った水」がどのよう運ばれ、 汚水処理されているのか「水再生センター」を例にそのしくみを解説する。 前説例 • • • 大気画像 2、水のイメージ（水・WATER・H2O の文字、水の写真） わたしたちが手を洗ったり、お風呂に入ったり、食器を洗ったり、洗濯をしたりして使った 水は流され、捨てられます。その水はどうなってしまうのでしょうか。 洗ったり、きれいにしたりというときには、石鹸や洗剤を使います。石鹸や洗剤は食べたり飲んだり はできませんね。石鹸や洗剤は環境にどんな影響があるのでしょう。 126 ３－１ 水の性質と洗剤の性質 導入：水の特性である表面張力と洗剤が水にどのような影響を及ぼすかについて調べる。 進行 出演者の動き 時間 実験 ３、４ 分 発展的な 主な解説・台詞 実験１： アメンボ くん 画像・パネル 演示者 解説 助手 画像２：水のイメージ 容器の近く に見学者を 集める。 アメンボ の模型を 浮かべ る。 画像 off カメラ on カメラ off 画像３：アメンボくん表面張 力 画像４：表面張力 補足 画像 on 大きな容器に水が入って います。ここに金属で作 ったアメンボの模型を静 かに置いてみます。アメ ンボは水に浮いています ね。普通、金属は水に沈 んでしまいますね。どうし て沈まないのでしょう。 容器の大き さは長さ 1200mm× 幅 900mm× 高さ 190mm。事 前に水を入 れておく。 よく見るとアメンボの足の まわりの水面が少しくぼ んでいて、水面が足を支 えていて、沈ませないよう にしています。 カメラはアメ ンボの足を アップで映 す。 図で説明しますと、アメン ボの足のまわりの水面が 少しくぼんでいて、水面 が足を支えています。 水のような液体の中で は、分子同士が前後左 右、上下に引っ張り合お うとしています。ただし、 水面には上に分子がな いため、下向きに、水の 内側だけに引っ張られま す。これは液体の表面積 を小さくしようとする力 で、表面張力といいま す。 画像切 替。 画像 off 127 なみなみに水を入れたコ ップの水が丸く盛り上が り、雨の粒や葉っぱの水 滴が丸く見えるのもこの 力のためです。 引っ張り合 おうとする力 を分子間力 という。 水は水素結 合によって 分子間力が つよいた め、他の液 体より表面 張力が強 い。 ３、４ 分 実験２： 逆さまに してもこ ぼれない 水 ペットボト ルを切っ た容器と ふるいを 用意。 水の入っ た容器を 用意。 ペットボトルで水をすくっ てふるいに入れてみて も、ふるいは小さい穴が 開いているので、水は通 り抜けてしまいますね。 ペットボト ルで水を すくい、ふ るいにか ける。 ペットボト ルで水を すくって ふるいを 容器に入 れ、ペット ボトルを ふるいに 載せる。 ふるいご とペットボ トルを持 ち上げ る。 画像５：逆さまにしてもこぼ れない水 ここに水の入った透明な 容器があります。さらにペ ットボトルを切った容器と ふるいを用意します。 ペットボトルで水をすくっ て中を水でいっぱいにし ます。ふるいを透明な容 器に入れ、ペットボトルの 切り口を下にしてふるい の上に乗せます。 画像 off カメラ on ふるいごとペットボトルを 持ち上げても水はこぼれ ません。 カメラ off 画像 on 画像 off 128 これも水の表面張力のた めによるものです。 網の目の一つ一つに表 面張力がはたらくので水 がこぼれません。 ペットボトル は 500mℓの ペットボトル を 2/3 ぐらい に切ったも の。 水の中で逆 さまにしてふ るいに載せ ないと水は こぼれる。 カメラはふる いの下から 見たアング ル。 ２分 実験３： アメンボ くん 容器の近く に見学者を 集める。 洗剤水と スポイト を用意。 カメラ on 洗剤水を スポイト で取り、 容器に入 れる。 さて、アメンボは水の上を 静止していますが、薄め た洗剤水を水の中に一 滴、二滴入れてみます。 アメンボは水面をすべる ように動いていきます。さ らに洗剤水を入れると、 アメンボは沈んでしまい ました。 さらに洗 剤水をス ポイトで 取り、容 器に入れ る。 これは洗剤水が水面を広 がっていき、水の持つ表 面張力を弱くしてしまうか らです。 カメラ off １分 実験４： 巨大シャ ボン玉を つくる 水 20：界面 活性剤 40% 程度の洗剤 1 新聞紙を 床に敷き 4、50cm ぐらいの 台に洗剤 水の入っ た容器を 乗せる。 リングを 用意して シャボン 玉をつく る。 表面張力が 弱くなるとい うことは、水 の分子同士 の結びつき が弱くなると いうことであ り、水の分 子とこびり付 いた汚れを 落としやすく する。 洗浄作用・ 起泡作用に よる洗剤や 石鹸への利 用、乳化作 用・保湿作 用による食 品や化粧品 などへの利 用。 今度は洗剤を使った実験 をしてみましょう。巨大な シャボン玉を作ってみま す。 ここに洗剤を溶かした液 体があります。 柄のついた大きなリング を液体に浸して、持ち上 げると巨大なシャボン玉 ができます。 これは洗剤によって表面 張力が弱くなり、水の表 面がどんどん広がってい くためです。 ここでの洗 剤水は水： PVA：洗剤 ＝20：10：1.5 ～2 PVA は、水 分が乾燥 し、大きくな って薄くなる のを極力防 ぐために使 用。 リングは直 径 30cm ほ ど。 129 界面活性 剤：水と油の 両方の性質 を持つよう な、二つの 性質が異な る物質の表 面＝界面に 作用する物 質の総称。 PVA(polyvin yl alcohol： ポリビニル アルコー ル)：合成樹 脂の一種。 洗濯ノリを 使用。 ３－２ 水質調査 導入：使用した水について調べる。 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 ４、５ 分 洗剤は衣服や食器の汚 れを落とすのにとても便 利なものです。けれども、 汚れを落とした水は排水 として捨てられます。汚れ た水の正体を調べてみま しょう。 実験５： 汚れた水 が危険を 知らせる （簡易水 質測定 装置） ここに水道水と洗剤を溶 かした水、さらに食べ残し の例として、ドッグフード を溶かして数日から十日 ほどおいた水と川（池）の 水があります。 これは汚れた水に反応し てブザーが鳴（ったり、ラ ンプが光ったりす）る装置 です。 装置を 4 つ用意し てそれぞ れの液体 に浸す。 それぞれのビーカーに一 つずつ装置を浸してみて 反応を見てみましょう。 水道水は反応しません。 汚れてはいませんね。 洗剤水は反応しました。 水が汚れているようで す。 ドッグフードを溶かした水 も反応しました。この水も 汚れているようです。 川（池）の水はどうでしょ う。反応しましたね。川 （池）の水も汚れているよ うです。 130 液体の入っ たビーカー4 種類各 1ℓを 事前に用 意。 洗剤水は 水：洗剤が 80：1 の割 合。 ドッグフー ド：4 片を砕 き、1.5ℓの浄 水に入れ、 数日から十 日おいて富 栄養化させ （腐らせ） る。 予備実験で は川の水と して、千代 田区役所裏 の神田川の 水を使用。 EC テスト： 電気伝導度 率計=通常 水は電気を 通しにくい が、塩分や 汚れなどの 成分が混ざ ると電気が 通しやすくな る。この性 質を利用し た装置。 富栄養化： 停滞水域中 に含まれる 窒素やリン などの栄養 塩濃度が高 まり、それら を取り込ん だ植物プラ ンクトンが異 常増殖する 現象。 ３、４ 分 実験６： 水質検 査 今度はもう少し詳しく汚れ た水を検査してみましょ う。 画像６：水質検査 先ほどの水を試薬を使っ て検査します。 画像 on 試薬のパ ックを出し て水を吸 い取る。 試薬のパ ックを出し て水を吸 い取る。 パックを 画像に合 わせる。 パックを 画像に合 わせる。 汚れた水の度合によって 試薬の反応が違います。 試薬のパックでビーカー の水を吸い取って調べて みましょう。 画像７：標準色 （科学的酸素消費 量:COD） 水の色が変わってきまし たね。 画像に合わせて比べて みましょう。 水道水はやはり汚れては いませんね。 洗剤水は汚れているよう です。 ドッグフードを溶かした水 はたいへん汚れているよ うです。 川（池）の水はドッグフー ドを溶かした水ほどでは ありませんが、洗剤水と 同じくらい汚れているよう です。 画像 off 131 ここでの実 験は COD テ ストを行う。 COD テスト： 水中の有機 物を酸化剤 で反応さ せ、そのとき の酸素の量 で表す。反 応時間は温 度によって 変わる。6 分 10℃・5 分 20℃・4 分 30℃。有機 物が多いほ ど値が大き い。河川な どを調べる ときに用い る。 予備実験で は水道水は 0。洗剤水と 神田川は 5。ドッグフ ードを溶か した水は 20。 他のテスト の例として ー亜硝酸テ スト：生活排 水・し尿など に含まれた 窒素に酸素 が付いたも の。亜硝酸 を多く含む 水は、酸素 の少ない汚 れた水。 ３―３ 汚水処理のしくみ 導入：汚れた水を処理するしくみを説明する。 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 ６、７ 分 画像・パネル 演示者 画像８：水再生センターの しくみ 補足 解説 助手 画像 on わたしたちの使った汚れ た水はどうなるのでしょう か。 わたしたちの使った水 は、生活排水として下水 道管とポンプ場を通って 下水処理場に集められま す。 生活排水の 他に雨水も 集められ る。 画像切 替。 写真は水再生センターの 写真です。下水処理場は 水の汚れを取り除いて、 川や海に流しているため 水再生センターといわれ ています。 画像８：芝浦水再生センタ ー（1）航空写真 画像切 替。 実験７：し ょりえも ん（浄水 装置） 画像７：水再生センターの しくみ 画像８：反応タンク 画像９：反応タンク（内部） しょりえも んの白幕 をはず す。 この実験装置は小型水 再生装置「しょりえもん」 です。 画像切 替。 画像切 替。 次に人工的に育てられた 多くの微生物を入れられ たタンクに送られます。微 生物が汚れを食べること によって水がきれいにな っていきます。 画像切 替。 画像 10：活性汚泥の中の 微生物 下水処理場 での生活排 水の処理の 他に浄化槽 で排水自体 を浄化する 場所もある。 水再生センターのしくみ を画面と実験装置とで合 わせて説明しましょう。 最初の池で大きなごみを 取り除いて、土砂を水の 底に沈ませてから、次の 池でさらに沈みやすい汚 れを沈ませます。 写真が微生物の写真で す。「しょりえもん」では、 このタンクの部分に写真 の微生物がいます。 画像切 替。 さらに映像が水をきれい にしてくれる微生物の映 像です。 132 東京や神奈 川は 95%以 上、下水道 が普及して いるが、そ の他は 50% ～60%程度 の普及で、 生活排水が 垂れ流しに なっている 地域も多 い。 人工的に培 養 ・育成された 多くの微生 物：活性汚 泥といい、こ の方法を活 性汚泥法と いう。この際 酸素を送り 込んで、微 生物の呼吸 を助ける。 画像 11：最終沈でん池 焼却灰を 見せる。 画像切 替。 画像切 替。 画像 12：砂ろ過機 画像切 替。 133 さらに最後の池で残った ごみときれいになった水 に分けます。 画像７：水再生センターの しくみ きれいになった水をろ過 槽に通して、細かなごみ まで取り除いて塩素消毒 します。 こうして、汚れた水をきれ いにして川や海に流して います。 画像切 替。 「しょりえもん」では、この 模擬河川槽の部分に当 たります。 また、処理をしたときに出 るごみや微生物の死骸な どは、肥料にしたり、燃や してセメント原料にしたり する一方で、山などに埋 め立てられているという 事実もあります。 画像 13：焼却灰 写真がごみや微生物の 死骸などを燃やした灰の 写真です。 実際に実物の灰も見てく ださい。 134 放流以外の 水再生の例 として：①水 洗トイレ用 水②エアコ ン用水③小 水力発電④ 散水による 緑化や夏場 の道路の温 度の冷却 ごみ：塵芥を 余剰汚泥と いう。 １分 現在、水の汚れの最も効 果的とされているのがオ ゾンといわれるものの利 用です。 画像切 替。 画像７、水再生センターの しくみ 画像 off ２、３ 分 実験８： オゾンで 浄水 オゾンは微生物のタンク から最後の池に送られて きれいになった水を、もう 一度微生物のタンクに戻 す途中で使われ、より微 生物が汚れを食べやすく するために使われます。 それによって処理のとき のごみをより少なくするこ とができます。 沈殿池から の返送汚泥 にオゾンを 当てて、生 物易分解性 物質に変化 させる。 オゾン：強い 酸化力を持 ち、有機物 の分解だけ ではなく、殺 菌・脱色・脱 臭効果もあ る。 余剰汚泥の 削減率や脱 色率は 90％ 以上にな る。 実際にオゾンを使って水 をきれいにしてみましょ う。 ここに薬品で青く変色さ せた液体が二つの大型 試験管に入っています。 予備実験で は試料とし てインディゴ （ジーンズの 染色などに 使用される 染料）を使 用。 水 1ℓに対し て 6mℓ。 試験管の背 景として白 い紙を用意 する。 片方の試験管には空気 だけを、もう片方には空 気とオゾン発生装置でオ ゾンを送り込みます。 スイッチ を入れ る。 オゾンを送った試験管は しだいに水の色が薄くな って澄んでくることがわか りますね。 スイッチ を切る。 135 オゾンの臭 気を取るた め脱臭機の 準備も考慮 する。 予備実験で は 1 分でほ ぼ透明にな る。 オゾンには 毒性がある が、通常の 臭気を感じ る程度 （0.1ppm 程 度）では人 体に悪影響 はない。ち なみに日本 の作業環境 におけるオ ゾン濃度基 準値は 0.1ppm であ る。 ３―４ まとめ（水を汚さない工夫） 進行 出演者の動き 時間 発展的な 主な解説・台詞 実験 画像・パネル 演示者 解説 助手 ３、４ 分 今まで汚水の処理を水再 生センターのしくみを例に 挙げて説明しましたが、 市街地以外では下水道 の設備がない地域もあ り、生活排水が川にその まま捨てられているところ もあります。 画像 15：生活排水の割合 画像切 替。 生活排水は台所やお風 呂や洗濯の排水などが 約 70%を占めています。 従って、わたしたちひとり ひとりが水を汚さない工 夫をすることにより、生活 排水を少なくすることがで きます。 ①なるべく食べ残しをしな い。米のとぎ汁や汁もの の残り汁を捨てることを 減らす。 画像 16：家庭でできる水を 汚さない工夫 ②米のとぎ汁を植木の水 や雑巾がけなどに再利 用する。 ③油を流さない。紙に吸 わせてごみとして出す。 画像 17：オイルボールので き方 画像切替 排水の油分が集まって固 まったものをオイルボー ルといいます。写真がオ イルボールの写真です。 実際に実物のオイルボー ルも見てください。 ④お風呂の残り湯は洗 濯に。 ⑤洗剤の量を減らす。 画像 18：オイルボール 補足 オイルボ ールを見 せる。 画像切 替。 136 生活排水に は工業排水 のように法 的規制がな い。 約 70％の内 訳：台所 40％風呂 20％、洗濯 10％、他に し尿が約 30% ①お椀一杯 の味噌汁を 魚が住める 程度の水に するには、 風呂五杯分 の水で薄め なければな らない。 ⑤石鹸を含 めた洗剤は 微生物によ って分解さ れにくいた め、汚れた 水が流れ易 い。下水道 がない地域 はその傾向 が強い。 工業排水は 製造工程の 過程で排出 される水で あり、特に 有害な化学 物質を含ん だ排水が多 く公害という 社会問題に なった。近 年では法律 や条例によ る厳しい規 制や排水処 理技術の向 上によって 改善されて きた。 公害：水汚 染の公害の 代表として 水俣病（熊 本県）とイタ イイタイ病 （富山県）が ある。 農業排水は 主に農薬を 含んだ水な ど 画像切 替。 画像 16：家庭でできる水を 汚さない工夫 137 ３－５ 水をつくろう（爆鳴気） 進行 出演者の動き 時間 実験 ６、７ 分 発展的な 主な解説・台詞 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 実験９： 水をつく ろう 最後にみんなで水を作っ てみましょう。 風船を見 せる。 シャボン 玉を膨ら ませる。 シャボン 玉の入っ た洗面器 を用意す る。 透明チュ ーブを用 意する。 混合ガス をビニー ルチュー ブに通 す。 この混合ガスでシャボン 玉を膨らませます。 シャボン玉に火を点ける とパンと音を立てて爆発 します。 シャボン 玉に火を 点ける。 先端を持 つ。 この風船の中には水素と 酸素が 2 対 1 で混じって います。 もう片方 の先端を 持つ。 シャボン 玉をつく る。 今度は透明ビニールチュ ーブをみんなで持ってみ ましょう。 爆鳴気とい う。 見学者の人 数によって ビニールチ ューブの長 さを変える。 先ほどの風船の混合ガ スをビニールチューブに 通してシャボン玉を作り ます。 ビニールチ ューブにあ らかじめ水 素と酸素の 混合ガスを 入れておく。 シャボン玉が浮けば混合 ガスがビニールチューブ に溜まったということで す。 混合ガスは 空気より軽 いため。 パンという破裂音とともに 閃光が走ります。ビニー ルチューブを見ると微か に水滴が付いているのが わかりますね。 これは水素と酸素が混じ った混合ガスが燃やされ ると、水がつくられるから です。 138 シャボン液 の割合は 水：界面活 性剤入り洗 剤： PVA=10:1:2 酸素だけだ と燃えず、 水素だけだ と音を立て ずにパッと 燃える。 着火装置をビニールチュ ーブの入口に着けて火花 を飛ばして点火します。 着火装置 で点火す る。 風船を用意 する。 ３－６ しょうのう船（希望者のみのオプション） 進行 出演者の動き 時間 実験 ６、７ 分 発展的な 主な解説・台詞 希望者 実験：し ょうのう 船 画像・パネル 演示者 補足 解説 助手 画像：しょうのう船の作り方 時間がある方は、しょうの う船の準備があります。 容器に水が入っていて、 紙でできた船が置いてあ ります。船の後ろにはしょ うのうがテープで貼り付 けてあり、水に浮かべる としょうのうが水に反応し て、船が水を動いていき ます。 うまく船を動かすことがで きるでしょうか。 しょうのうが 水に溶ける と溶けた水 の部分の表 面張力が弱 まり、融けて いない水の 部分に船が 引っ張られ る。 水が 25℃ 800mℓでしょ うのうは 1g 溶ける。 139 しょうのう： 楠の根、 幹、枝、葉を 水蒸気蒸留 して作る。無 色柱上の結 晶で、特有 の芳香があ り、昇華しや すい。薬用 として、ま た、香料や 防虫剤や防 臭剤などに 使われる。 140 平成 20 年度 科学的な思考に沿った環境実験プログラムの開発等業務解説書（指導書） 発行 平成 21 年 3 月 東京都千代田区北の丸公園 2 番 1 号 財団法人 日本科学技術振興財団 電話 03（3212）8544 141