水酸化鉄(Ⅲ)コロイドのチキソトロピーに関する研究

発行 平成 22 年 10 月 28 日
兵庫県立川西北陵高等学校
電話
072 ‒ 794 - 7411
特集 ⾃自然科学部 全国⼤大会出場 第 54 回 ⽇日本学⽣生科学賞 兵庫県コンクール 兵庫県教育委員会賞 受賞 ，読売新聞社賞 受賞 作品名「⽔水酸化鉄(Ⅲ)コロイドのチキソトロピーに関する研究」 受賞作品の研究内容を，ダイジェスト版で紹介いたします
１．目的
チキソトロピーとは，ゲル状の固体に衝撃を加えると液体に変化する可逆的な現象である。チキソトロピーを
示す水酸化鉄(Ⅲ)コロイドをつくる。
２．仮説
塩化鉄(Ⅲ)水溶液に炭酸カルシウムを加えるとコロイドが生成する。このとき FeCl3:CaCO3 = 2:3 の物質量比
で反応が進行し，量のバランスによってチキソトロピーを示すゲルができる。
FeCl3 + 3H2O ⇄ Fe(OH)3 + 3HCl
CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
３．実験
(1)塩化鉄(Ⅲ)六水和物を水に溶かしてつくった 0.50 2.5 mol/L の水溶液 5.0 mL に炭酸カルシウムを 0.20
1.0 g ずつ加え，反応直後および１日放置後に，色と状態を観察した。
(2)塩化鉄(Ⅲ)水溶液の密度を測定した。
４．結果 実験(1)，(2)の結果を図１および表１に示す。
ゾーン ２
図１中の直線は過不足なく反応する値を表す。
ゾーン１：水と沈殿が分離しゲル化せず
ゾーン２：ゲルを振ってもゾル化せず
ゾーン３：ゲル化せず
CaCO3
の
ゾーン４：チキソトロピーを示した（図２）
図２
コンクールにおいて兵庫県教育委員会賞を受賞し，東京で行われる全国大会（中央審査）に進むことになりま
「聖ヤヌアリウスの血」とよばれ，揺さぶると固体から液体へ変化する不思議な血液がイタリアのナポリで
表１
ゾーン ４
ゾル
放置
ゲル
本校自然科学部は，科学教育類型を中心としたメンバー4 名で研究活動を行っています。今年度は，標記の
した。本校の研究は，兵庫県下の高等学校の中で最も高い評価を受けました。
質
量
〔g〕
振動
ゾーン ３
チキソトロピーを示す水酸化鉄(Ⅲ)コロイド
塩化鉄(Ⅲ)水溶液の濃度と密度
FeCl3 の濃度〔mol/L〕
3
水溶液の密度〔g/cm 〕
0.50
1.0
1.5
2.0
2.5
1.050
1.125
1.174
1.226
1.284
図１
FeCl3 の濃度および CaCO3 の量とゲル化
目撃されています。この不思議な現象を科学で解明できないかという好奇心から，研究がスタートしました。
５．考察
中学・高校合わせておよそ 80 点の研究作品 10/17(日)，読売新聞社，兵庫県教育委員会， 左から，岩田彩紗さん（1 年,東谷中），部長の
が展示された，神戸市立青少年科学館にて 神戸市教育委員会の主催で，表彰式が行わ 大井郁美さん（2 年,多田中），奥出知也さん（2
れました
年,緑台中），古賀拓人さん（1 年,猪名川中)
未反応の炭酸カルシウム
(1)ゾーン１ ４をモデル化した（図３）
。
ゾーン１：CaCO3 が過剰で，未反応の粉末がゲル
化を阻害し，沈殿が生じた。
ゾーン２：水の量が少なくゲルが強固になり，衝撃
を与えてもゾル化しなかった。
ゾーン３：水の量が多く，水を保つことができない
ゾーン１
ゾーン２
ゾーン４
ゾーン３
図３
ため，ゲル化しなかった。
ゾーン４：物質の割合が適切であり，チキソトロピ
表２ 水酸化鉄(Ⅲ)コロイドの生成における物質の量的関係
ーを示した。
(2)計算よりコロイド 1mol あたり 50 130 mol
の水を保つとき，チキソトロピーを示すことがわか
った（表２）
。このコロイドは，実際は酸化水酸化鉄
(Ⅲ) FeO(OH)であり，ゲル中ではコロイドと水分子
が静電気力で引き合い，水を保った状態が形成され
ていると考えた（図４）
。
日本学生科学賞とは
日本学生科学賞は、戦後日本の復興期に科学教育の振興
を願い、未来の優秀な科学者を生み出すため「国際地球
観測年」の 1957（昭和 32）年に創設されました。理
科教育に基づく中学・高校生の公募コンクールとして
は、国内で最も伝統と権威のあるものです。
（HP より http://event.yomiuri.co.jp/jssa/）
水素結合
図４
酸化水酸化鉄(Ⅲ) FeO(OH) ゲルのモデル
６ ． ま と め (1)チ キ ソ ト ロ ピ ー を 示 す 最 も よ い 条 件 は ， 1.0
mol/L FeCl35.0 mL に CaCO3 0.50g である。
(2)チキソトロピーを最もよく示すとき，コロイド
1 mol あたり 80 mol の水を保っている。
７．課題
(1)何度でもくり返しチキソトロピーを示すゲルを
つくることができるか。
(2)ゲルが生成するとき，反応直後は血のような色をしていたが，しばらくすると茶色に変色した。ゲル化し
ても血のような色を示すコロイドをつくることができるか。
行事予定 11 月 2 日 芸術鑑賞（演劇）
11 月 5 日 創立記念日
11 月 6 日 進研模試（３年，７日まで）
11 月 13 日 第 2 回 オープンハイスクール
平成 22 年 10 月 15 日（金） 読売新聞より
平成 22 年 10 月 17 日（日） 読売新聞より
第 2 回オープンハイスクールは，次の日程・内容で行います。
11/1３(土) 学校説明会・授業見学・部活見学
中学生だけでなく，保護者の皆様の参加を，職員一同，心より
お待ちしております。
「北陵高校だより」についてのご意見・ご要望は，本校までご
連絡ください。川西北陵高校についての情報は，ホームページ
でも配信しています。 http://www.hyogo-c.ed.jp/~hokuryo-hs/