身近な素材を生かした教材の製作

平 成 20 年 度
中学校教職経験者10年研修講座
理科分科会（化学領域）資料
「身近な素材を生かした教材の製作」
いろいろなｐＨの水溶液における紫キャベツ液の色
一番奥が中性のｐＨ７で紫色、右に行くほど酸性が強くなり桃色から
赤色へ、左に行くほどアルカリ性が強くなり、青から緑そして黄色へ
平成２０年７月１０日（木）
１３：００～１４：０５
岩手県立総合教育センター
科学産業教育担当（化学研修室）
燃料電池の製作
１
はじめに
燃料電池は、もとの燃料のもつ全エネルギーの約80％を電気エネルギー及び有効な廃熱とし
て回収できる（火力発電は約40％、ガソリンエンジンは約15％）効率の高いシステムである。
また、騒音や振動もなく、二酸化炭素も排出しない極めてクリーンなエネルギーでもある。将
来、大型発電所用、電気自動車用、携帯機器用など、用途に応じた利用が有望視されており、
まもなく、社会で本格的な利用が見込まれている。
２
(1)
製作の準備
試薬
メッキ液（塩化パラジウム(Ⅱ)水溶液）
200mlのビーカーに純水約200mlを入れ、塩化パラジウム(Ⅱ)0.05ｇと濃塩酸を1～2滴加
える。透明な黄色の溶液になるまで、スターラーで攪拌する。
② 電解液（2mol/l水酸化ナトリウム水溶液）
300mlビーカーに水酸化ナトリウム24ｇをはかり取り、水を加えて溶かし300mlとする。
①
注
○
③
④
(2)
水酸化ナトリウムが水に溶けると、激しく発熱するので、肉厚のガラス器具を使わないこと。
洗浄液その１（エタノール）
洗浄液その２（1mol/l希硫酸）
器具等【図１】【図２】
・ニッケル金網（200mesh、5cm×5cm）２枚
・ニッケル線（φ1mm、7cm）２本
・アクリルパイプ（φ21mm、10cm）２本
・ゴム栓（４号）２個
・三方コック ２個
・シリンジ（30ml）
・ピンセット ２本
・ビーカー（300ml）１個
・ビーカー（200ml）２個
・リード線（赤、黒）各１本
・コルクボーラー
・千枚通し
・ラジオペンチ
・スターラー
・洗浄ビン
・電子メロディまたはプロペラ付きモーター
・水素と酸素（またはハンドジェネレータ）
【 図１】
塩化パラジウム(Ⅱ)
【図２】
- 1 -
ニッケル金網、ニッケル線、
製作準備
３
(1)
製作の手順
ニッケル金網の加工・洗浄・めっき
① ニッケル金網（5cm×5cm、２枚）を、
４つに折りたたみ、上から約５mmの所に
千枚通しで穴をあける。【図３】
② いったん金網を広げて、ピンセットで
エタノール（またはアセトン）に数秒浸
して脱脂し、次に希硫酸に数秒浸して脱
錆する。最後に純水に浸す。
③ 洗浄した２枚のニッケル金網を、ピン
セットでメッキ液の中に入れ、メッキ液
の黄色が無色になるまでスターラーで攪
拌してパラジウムメッキをする。
【図３】
ニッケル金網の加工
三方コック
(2)
(3)
ゴム栓の加工
① ゴム栓（４号）に、中央部をさけてコ
ルクボーラーで穴をあけ、三方コックを
差し込む。
② ゴム栓に千枚通しを刺して穴を開けて
おき、そこにニッケル線を通し、上側は
輪を作って抜けないようにする。下側は
折りたたんだニッケル金網の穴を引っか
けられるように、Ｕ字形に曲げておく。
③ 同じものをもう１つ作る。【図４】
ニッケル線
黒ゴム栓
（４号）
【図４】
電池の組み立て
300mlのビーカーに電解液(2mol/l水酸
化ナトリウム水溶液)を300ml入れる。
② メッキが落ちないように注意しながら、
ピンセットでニッケル金網を再び４つに
折り、ゴム栓に通したニッケル線につる
す。（２つ作る）
③ アクリルパイプにゴム栓を差し込めば
電極が完成。【図５】（２つ作る）
④ 電解液の中に完成した２つの電極を入
れ、三方コックを開いて、そこにシリン
ジを差し込んで、電極内の空気を抜きと
る。空気を抜き取ったら、コックを閉じ
る。
⑤ シリンジを用いて、一方の電極に水素、
他方の電極に酸素を注入する。
⑥ 黒のリード線を水素側（負極）に、赤
のリード線を酸素側（正極）につないで
完成。【図６】
ゴム栓の加工
①
【図５】
【図６】
- 2 -
電極の完成図
電池の全体図
(4)
燃料電池の放電
① リード線の先を、電子メロディに接続
してみよう。
注
○
電子メロディは一方向にのみ電流を流すので、
つなぎ方に注意。黒と黒、赤と赤をつなぐ。
②
４
次に、プロペラ付きモーターに接続し
てみよう。【図７】
製作時・製作後の注意
【図７】
プロペラ回転!!
(1)
濃塩酸は皮膚につけない。また、蒸気を吸い込まない。
濃塩酸は皮膚や粘膜を腐食する作用をもつので、皮膚につけないようにする。また、蒸気
である塩化水素は有毒な気体なので、吸わないようにする。
(2)
電解液を皮膚につけない。
強いアルカリはタンパク質を侵すので、皮膚につけないようにする。付着した場合はすぐ
に流水でよく洗う。
(3)
メッキ液の残りは回収し、重金属イオンの廃液処理を行う。
(4)
水酸化ナトリウム水溶液は、燃料電池用として回収して保管する。
(5)
電極は純水につけてよくすすぎ、メッキを乾かさないように純水中に保管する。
５
(1)
燃料電池の解説
電池内の反応
電解液にアルカリ水溶液を用いた場合の燃料電池の反応は次のとおり。
負極：H ２ ＋ 2OH － → 2H ２O ＋ 2ｅ －
正極：1/2O ２ ＋ H ２ O ＋ 2ｅ － → 2OH －
全体：H ２ ＋ 1/2O ２ → H ２O
この反応は、水の電気分解の逆反応であり、電池の放電による生成物は水のみである。し
たがって、環境を汚染しないクリーンなエネルギーである。
燃料電池による発電と、従来の火力発電を比較すると次のようになる。
（従来の火力発電）
タービン
ボイラー
熱
動力
燃料
発電機
電気
燃料電池
（燃料電池方式）燃料を熱や動力に変えることなく、直接電気エネルギーとして取り
出すので、効率が非常に高い。
- 3 -
(2)
電極内で反応している部分
気体（水素、酸素）と液体（電解液）と固体（ニッケル金網）の三相界面で反応している
ので、金網はできるだけ上部にセットする。また、気体を入れすぎて、金網と電解液が離れ
ると電流が流れない。
(3)
メッキについて
メッキの目的は、塩化パラジウム(Ⅱ)による触媒作用である。
塩化パラジウム(Ⅱ)によるメッキの他に、ヘキサクロロ白金(Ⅳ)酸（塩化白金酸）による
白金黒メッキがよく行われる。この場合は、電圧４～５Ｖで電気メッキする。
(4)
電極の活性化
水素ガス、酸素ガスを注入するのではなく、この電極を用いてこの水酸化ナトリウム水溶
液を電気分解して水素と酸素を捕集すると、電極が活性化されて高い出力が得られる。
教材「燃料電池」製作費
参考資料
◆一人あたりの製作費を示す。（2008年７月）
品
名
メーカー・規格・品番・数量等
費
ニッケル金網
ニラコ
200mesh
0.05×100×100mm
ニッケル線
ニラコ
φ1.0mm
10ｍ（2,625円）のうち7cm×２本
塩化パラジウム
1/2枚
1,575
37
５ｇ（12,420円）のうち0.05ｇ
アクリルパイプ
ホーマック
φ21mm
三方コック
テルモ
TS-TR1K
シリンジ
テルモ
SS-30ESZ
用（円）
124
１ｍ（525円）のうち20cm
105
50セット（6,000円）のうち２個
240
50セット（5,630円）のうち１個
113
計
2,194
◆燃料電池実験キットの価格例を示す。
メーカー・規格・品番等
ケニス
燃料電池実験器
中村理科工業
燃料電池組立セット
価
3-123-185
B10-2052
- 4 -
格（円）
27,300
13,650
おわりに
観察・実験は理科指導の命。教材と授業展開が理科指導の醍醐味。
①
②
③
④
⑤
興味・関心、学習意欲
百聞は一見に如かず
思考する場の設定
日常知（素朴概念）から科学知へ
探究的学習（仮説→検証）や問題解決的学習
教材は、生徒と教師の対話の材料。魅力ある教材が授業を創る。
①
②
③
④
⑤
一方向から双方向へ
授業への全員参加
身近な物に科学あり
ものづくりの楽しさ
感動こそ変容の源
成功して次につなげていく実験。失敗から新しいことを学ぶ実験。
①
②
③
④
⑤
成功→学習の見通しや目的意識
成功→検証実験。実験データからの考察
失敗→実験方法（条件制御など）の検討
失敗→実験技能の習得
失敗→自由試行からの学び
問い合わせ先
岩手県立総合教育センター
科学産業教育担当（化学研究室）
研修主事
ＴＥＬ
ＦＡＸ
E-mail
すが わら たか
し
菅
志
原
尚
こんな時、連絡して下さい。
０１９８－２７－２７７４（直通）
０１９８－２７－３５６２（総務）
[email protected]
- 5 -
★授業で使う教材を作りたいとき
例）燃料電池がもっとほしい
★化学の指導法に悩んだとき
例）密度を理解させられない
★生徒の深い質問に答えたいとき
例）吸熱反応が起こる理由