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西湘高等学校より 中学校への出前実験授業：化学篇 by 池田博明 2004年に神奈川県立西湘高等学校で中学生に行った出前実験｢わくわくサイエンス｣を紹介します。 ＊ 中学校での実験実習教室 科学部篇 2004年12月1日（水） 小田原市立A中学校科学部で理科実験実習講座を12月1日（水）に行った。 時間帯は午後2時40分から4時30分の約2時間。 企画に当たって配慮した点は (1)中学校の学習内容でないこと、 (2)実験装備が簡単で経費がかからないこと、 (3)中学生でも理解できる内容であること。 以上の観点から高等学校の３年生の化学Ⅱの教科書の内容から、 Ａ：食塩水の溶解平衡と平衡の移動、 Ｂ：ナイロン66の合成、 Ｃ：ｐＨと緩衝液を選んだ。 展開は下記の通り。中学校科学部生徒15名が参加した。（中学1年生13名、2年生2名） 事後の無記名アンケートによる生徒の評価は次の通り。 【内容はよかったですか。⑤大変よかった7名、④よかった5名、③ふつう3名、②あまりよくない0名、①悪かった0名】 【説明は理解できましたか。⑤理解できた1名、④ほぼ理解できた10名、③ふつう4名、②あまり理解できなかった0名、①ほとんど理解できなかった0名】 ■実験Ａ 試験管のなかで雪を降らせよう。【実験評価⑤3、④6、③6、②0、①0】 (1)飽和食塩水の上ずみが試験管に入っています。ここに塩酸を一滴ずつ加えてみましょう。 (2)ケミカル・スノウ（chemical snow化学の雪）が見られます。｢溶解平衡｣と｢平衡の移動｣という現象です。 理論的な考察をします。食塩水のなかで何が起こっているのかを考えてみましょう。食塩の成分の化学名は何？ 塩化ナトリウムをを化学式で書くと？ ［１年生は化学式を学習し始めたばかりであった］ 食塩を水に溶かすと何が起こったのでしょうか。水が電気を通すかどうかを（池田自作の）テスターで調べてみましょう［水は電気を通すという予想が多かった］。 ここに食塩を混ぜていくと［ほんの少しずつ食塩を加えていくと、しばらくしてわずかに点灯し始める］、  さて何が起こったのかというと・・・。溶解によってNaのイオンとClのイオンに分かれたんですね。 （ア）NaCl → Na＋ ＋ Cl－ 電気的にプラスの粒とマイナスの粒ができたので電気を通すようになった。飽和食塩水には溶けきれない食塩がある［ビーカーの飽和食塩水を見せる］から、この中では逆の反応が起こっている。 （イ）Na＋ ＋ Cl－ → NaCl この状態で溶液はバランスを保っています。そこに皆さんが塩酸を加えると、塩酸が水に溶ける反応は・・ （ウ）HCl → H＋ ＋ Cl－ 塩化物イオンが増えるため、全体の塩化物イオンを減らしてバランスを回復しようとする反応が溶液内で起こります。つまり上の式のうち（イ）が起こって食塩の結晶が突然出現して来ます ■実験B ナイロン66を合成しよう。 【実験評価⑤7、④1、③7、②0、①0】 (1)ナイロンでできたストッキングをほどいてみましょう。 (2)時計皿にヘキサメチレンジアミン液を出します。 (3)ヘキサメチレンジアミン液の上にアジピン酸液を少しずつ加えていき、合成された繊維をピンセットで引き上げ、試験管の周囲にまきつけていきましょう。  (4)できるだけ細く長く繊維を取りましょう。 理論的な考察をします。20世紀のはじめ最初に合成されたナイロンは｢絹糸のように細く鋼鉄のようにじょうぶな｣糸と宣伝されました。 ｢絹糸｣と特性が比べられたのは絹糸の成分であるタンパク質と似た点があったからです。  ヘキサメチレンジアミンの分子は次のような形をしています[構造式を示します]。 アジピン酸の分子は次のような形をしています[構造式を示します]。 各班に分子モデルを配布しました。自分の班のモデルはどちらの分子でしょうか。この２種類の分子が出会うと両端の官能基どうしが結合します。 さて、モデルどうしを長くつなげてみましょう。一部の原子をはずさないとつなぐことができません。はずした原子をあわせると水分子になります。この結合がタンパク質を作る結合と同じものです。[指示する前にモデルを分解してしまう生徒が結構いた。それだけ興味を持った？] ■実験Ｃ ｐHメータを使ってみましょう。純水と水道水で実験します。【実験評価⑤2、④8、③4、②1、①0】 (1)ｐHとは何かを説明します[ｐHについて生徒に知識がなかった。酸とアルカリは知っている]。簡易ｐＨメータを使ってみましょう。7.0が中性です。それよりｐＨが低下すると酸、上昇するとアルカリです。 (2)酸の薄い溶液のｐＨを測定してみましょう。 (3)純水を加えて酸度を薄めるとｐＨはどうなりますか。数値が上がりますね。 では、(4)純水のｐＨはいくつでしょうか。ｐＨ計で測定してみましょう[5.5くらい]。 水なのに中性ではなく酸性でした。なぜこんな結果になったのでしょうか。それは空気中の二酸化炭素が溶け込んで炭酸ができたせいです。ところで、私たちの吐く息の中にも二酸化炭素はあります。純水にストローを使って一分間息を吹き込んでみましょう[0.6程度ｐHが下がる]。炭酸がたくさんできてｐHは低下しました。 (5)水道水で同じことをしてみましょう。水道水のｐHは？[7.6くらい]。今度も一分間息を吹き込んでみましょう[やはりｐHは低下するがやや低下の度合いが少ない・・・ 実際にはｐH計の調整不十分でバラツキが大きかった]。 水道水は純水と比較して、中性付近で変化していることがわかったと思います。これは水道水にはいろんな物質が溶け込んでいるためですね。 たとえばこの試薬を使うと[硝酸銀水溶液を試験管中の水道水に入れると]、白くにごります。白い塩化銀の沈殿ができたためで、水道水には塩素があることがわかります。 何のために塩素が入っているのでしょうか[一人の生徒が消毒のためと答える]。その通りです。水道水では溶け込んでいるいろんな物質がｐHに影響を与えています。 【生徒の評価：高校の先生が来て実験をする授業を受けてみたいですか？ 受けてみたい15名 そう思わない0名】【自由記入欄：化学変化の実験が面白い2名、ほかは各1名＝大きな変化のある実験がいい、楽しい内容がいい、火の実験、水の実験、砂鉄の砂時計、カルメ焼き】 その後、理科の先生から生徒が翌日までに書いてきたという感想をいただきました。 僕は西湘高等学校の先生が来られていろんな実験を教えてもらい、すごくうれしかったです。僕は実験がすごく好きです。それはいろんな物を混ぜると違う物になったりするのが面白いからです。西湘の先生の実験は面白かったです。話は早くてよく聞き取れなかったけれど、塩化ナトリウムの化学式はわかりました。先生はやさしくていろんな事を教えてもらい、いい経験になりました。自分たちで実験をしてよくわかりました。（TT）。 ３つも実験があって、やりながら説明でなんとなく理解できた。最初は難しかったけど、だんだん分かってきた。全部液体を使う実験だった。習っていないことが多かったけど、いろいろ学びながらできてよかったです。実験Aがとても印象に残りました。食塩の力はすごいと思いました。式なども出てきたので、数学も大切だなと分かりました。何かの機会に生かしたいです。さらに科学部でも積極的にこういうことをやりたいと思いました。（TJ） 今回の実験はとても面白かったです。特にナイロンを作るのがとても面白かった。みんなも熱心に実験をしていました。また高校の先生が来たらもっと教えてもらいたいです。（TH）  高校３年生のやる内容でかなり難しかったけど、原理は分かったし、楽しかった。特にケミカル・スノウが面白く、塩酸によって雪が降るのがすごいと思いました。部活でもこんな実験みたいなものができたら面白くなると思いました。（SS） 今日は高校の先生は来て分かりやすく説明してくれました。僕はだいたい分かったけど楽しくできました。みんなも熱心にやっていました。また高校の先生が来たらもっといっぱい教えてもらいたいです。実験Aの化学式が分かってとてもよかったです。雪の（ような）結晶がとてもきれいでした。（NN） 今回は高校３年生の授業の内容を体験してとてもいい経験をさせてもらった。特に印象に残ったことというとナイロンのことで、まさか薬品を二つ混ぜただけで糸ができてしまうとは思っても見なかったので、びっくりした。確かに内容が難しいところもあったが、なかなか楽しかった。（S） 特にナイロンを作るのが楽しかったです。いろいろな理論が分かってよかった。また機会があったらやりたいです。（T） とてもいい実験をできました。ケミカル・スノウなどいろいろ知らない実験ができました。貴重な体験ができました。次は火の実験などをやりたいです。（TH） 高校３年生の人が受ける授業はとても難しいと思いました。試験管の中で雪が降るのが一番おもしろかった。いろいろなことが分かった。ストローで息を吹きこんだりするのは大変だった。（SY） 高校では難しいのをやると思った。ナイロンができるやり方がわかって良かったし、あんなふうにできるとわかった。純水を使うより水道の方がアルカリ性が高いと分かった。ストローで水道水に息を入れると中性の方に近くなると分かった。もうあと１年もすれば高校生だからがんばって勉強しようと思った。（KK） 私は白いナイロンを作るのが楽しかったです。説明も楽しく、そしてわかりやすかったです。またこういう実験をしてみたいです。実験講座があったら参加したいです。来て下さってありがとうございます。（HH）  高校の先生に教えてもらうのは初めてだったけど、楽しかったです。ケミカル・スノウがとても印象的でした。
分子・原子はまだよく分からないけどますます興味が出てきました。化学反応を起こして実験するのはとても楽しかったです。また機会があればやりたいと思いました。（AA）
私がいちばん楽しかった実験はケミカル・スノウの実験です。塩酸を入れたとたん白い食塩が雪のようになったのがとてもきれいでした。説明も面白くてわかりやすかったです。また今回のような実験講座があったらいいと思います。（NI） 実験などをして楽しかったです。最初は高校３年生がやる実験と言っていたので難しいのかなと思っていたけど、簡単にできてよかったし、難しくもなくて、薬品など液体を入れたりして、まだ教えてもらっていないことを実験をしてよかったです。 白いナイロン作りで糸が出てくるのは初めてやって最初びっくりしました。楽しかったです。危険な実験もやってみたいです。説明も楽しかったです。来て下さってありがとうございました。（MN） 実験の評価や生徒の感想から、今回の実験を評価・総括しておこう。 動機づけという観点からはおおむね成功だったと言えよう。特にこれらの実験は高校３年生で『化学Ⅱ』を選択した生徒が経験する内容であることを考えると、彼らにとっては最初で最後の機会であったかもしれない。 良かった点は、科学部という性格からして、自分たちがやる形式の実験だったこと、現象や操作はシンプルで失敗の少ない実験であったこと、化学式に関する説明が適正な範囲だったこと、食塩水テスターの効果が大きいことが分かったことであった。 反省すべき点は「ケミカル・スノウ」と「ナイロンの作成」という二つの実験だけで時間的には十分であったこと。 pＨに関する生徒側の知識がほとんど無かったので、学習効果が上がらなかったこと、pＨと酸や塩基の意味を短時間で理解させるのは無理があること。 （その後、高校１年生にもpＨを理解させることは大変難しいことが12月の試験で分かった。何回説明しても練習問題を解かせても全く理解しない生徒が相当数いるのである。中学段階でイオンを教えなくなり、化学式の扱いが減った影響もあると思うが指数・対数の理解が特に悪かった。３年生の化学選択者では指数・対数の扱いで、それほどの困難は感じられないので、教えるのにかなりの時間が必要ということだと思われた） 生徒に予備知識のまったくない講義は興味を引かないと思われる。つまり、導入部の大切さは強調しても強調しすぎることはないだろう。酸や塩基について取り扱うのであれば、中学でよく使用しているBTB溶液などを用いての導入などを考慮する必要がある。中学校で、万能pＨ試験紙を用いた酸と塩基を教える授業書が開発されているが、その授業書でも生徒に理解させるのには、かなりの時間を使っていた。 中学校での実験実習教室 選択理科 2004年12月8日（水） 小田原市立B中学校の３年理科選択授業で実験実習講座を12月8日（水）に行った。 時間帯は午前8時45分から9時30分の45分間。 企画に当たって配慮した点は (1)統一的な大テーマが設定できること、 (2)実験準備が簡単で激しい反応であること、 (3)中学生でも理解できる内容であること。 以上の観点から高等学校の化学Ⅰの内容から、Ａ：水素と酸素の反応、Ｂ：激しい中和反応、Ｃ：テルミット反応を選んだ。大テーマは「化学反応とエネルギー」。 展開は下記の通り。各実験の所要時間は15分間。中学校３年選択理科の生徒15名が参加した。 事後の無記名アンケートによる生徒の評価は次の通り。 【内容はよかったですか。⑤大変よかった６名、④よかった３名、③ふつう０名、②あまりよくない０名、①悪かった０名・・・授業の後時間に余裕が無くて全員から回収できなかった。】 【説明は理解できましたか。⑤理解できた３名、④ほぼ理解できた３名、③ふつう３名、②あまり理解できなかった0名、①ほとんど理解できなかった0名】  ■ 実験Ａ 水素と酸素の反応 【実験評価⑤１、④5、③2、②0、①0】(1)二又試験管に過酸化水素水と酸化マンガンを入れ、接触させて酸素を捕集します。 (2)別の二又試験管に亜鉛を塩酸で溶かして水素を発生させ補集します。 (3)混合気体を水槽のペットボトルからポリ袋に移します。 (4)この気体に点火します。結果は激しい爆発音がする。 理論的な考察をします。液体が気体になるときは熱しますが、そのとき外から加えられたエネルギーは気体に蓄えられたことになります。気体が液体になるという逆の反応が起こるときはエネルギーが外に放出されます。それが私たちには熱や火や音というかたちで見えます。 ■実験B 激しい中和反応 【実験評価⑤2、④1、③6、②0、①0】 (1)中和反応は既に学習していますね。そのとき使った塩酸と水酸化ナトリウムを薄めないで反応させてみましょう。  (2)濃塩酸10mLに粒状の水酸化ナトリウムを入れると、沸騰しながら反応します。 (3)ここでフェノールフタレインという指示薬を使います。これはアルカリ性では赤く変色する物質です。(4)濃塩酸を水酸化ナトリウムで中和していって、少しアルカリ側に行き過ぎると赤くなります。 (4)赤い色が消えなくなったら少し塩酸で戻してろ過してみます。 (5)食塩ができました。 この実験は沸騰しながら反応し、反応しながら赤変するのが印象的です。 理論的な考察をします。この中和反応では熱が発生するため、その熱が液体を沸騰させました。 太い試験管を用いて行うが、新しい試験管の場合は、あらかじめ薄い塩酸に浸けておく必要がある。そうしないとガラスから出るナトリウムの影響でフェノールフタレインを滴下した段階で赤変してしまうからである。 ■ 実験Ｃ テルミット反応 【実験評価⑤6、④1、③2、②0、①0】 酸化還元反応のエネルギーについて説明します。  (1)これがアルミニウム粉末（4g）で、こちらが酸化鉄（Ⅲ）（10ｇ）です。 酸化鉄は関東ローム層の赤土の成分ともなっています。 (2)この２種類を混ぜて点火します。 (3)導火線にマグンシウム・リボンを使いますが、マグネシウムの燃焼を見ておきましょう。 (4)中央のマッフルにろ紙で作ったロウトを置き、薬品をいれます。 中央に点火薬として過マンガン酸カリウムとアルミの粉末を混ぜたものを置き、マグネシウム・リボンを立てます。 (5)このテルミット反応では酸化鉄は酸素がはがされて、鉄に戻ります。 砂の上に落ちた真っ赤なものが融けた鉄です。 これらは実験操作自体に難しいところはないので、中学校でもできる実験である。意図して中学でも可能な実験を選んだ。高校ではこれらの実験を投げこむ単元はいろいろと考えられる。 中学生にとっても高校生にとってもテルミット反応は印象の強い実験のようであった。ただし、この反応に用いるアルミニウム粉末や酸化鉄はよく乾燥している必要があるし、やたらに量を多くすると危険である。反応後にえられる金属単体の大きさは、酸化鉄のときにいちばん大きい。放冷後、磁石につくことを見せる展開もあるが、今回は時間がぎりぎりだったため、その演示は行わなかった。 テルミット反応の参考文献は下記。 田中晃二、1992．演示効果の大きいテルミット反応の利用と安全性．化学と教育,40:478． 近藤敏昭、1993．マッフルを使って簡単に行うテルミット反応．化学と教育，41：680 【生徒の評価：高校の先生が来て実験をする授業を受けてみたいですか？ 受けてみたい8名 そう思わない1名（自分たちで計画した実験をする）】 実験翌日に中学で書かせた生徒の感想 中学教員の付記：水素の爆発や中和の実験は中学校でも行っていますが、いつもより威力があったので生徒たちはとても驚いていたようでした。また、同時にさらに興味をもって実験に臨むことができたようでした。私自身も今後の授業の参考として勉強になりました。来年度もこのような機会があればぜひ参加させていただきたいと思っております。よろしくお願いします（T）。 生徒の感想：中学では危険でできないような実験をたくさん見ることができてよかった。できればやってみたかった。割と理解できるし、けっこう知っている薬品ばかりだから、普通に使っているものが薄めていなかったらどれほど危険かもわかり、もっと注意して使おうと思いました。原液のほうが中和など同じ実験でも、とてつもないエネルギーを発しているなど初めて知ることもあり、どちらもメリットとデメリットがあると思いました。できれば原液を使って実験をやってみたいです（A）。  最初の酸素と水素の入った袋が爆発するのは自分が思っていた結果を違ったのでびっくりしたけど楽しかった。次の中和反応の実験は色がきれいに染まってすごいと思った。最後の酸化還元反応のエネルギーの実験はまぶしい光と炎が同時に出てきてきれいだったけどびっくりした。また来て欲しいと思った。（B）忙しいなか来て下さってありがとうございます。実験の方は一度や二度やったことのある化学反応でいままでと違う反応の仕方で、火の粉が上がったり、水素と酸素を燃やして爆発させたり、濃塩酸を使ったり、水酸化ナトリウムを使ったりと、とても危ない実験をしたと思いました。理科の実験などで火災の危険が高いことがわかりました。このエネルギーを利用することを考えた人たちもとんでもない発想を思いついたんだと思いました。（D） どの実験もこれまでテストなどで何度も出てきた、仕組みをすでに理解している実験ばかりである。しかし、どれも実際にやったことはない。「百聞は一見にしかず」とはまさに今回の様な実験をいうのではないだろうか。紙面上でしかとらえていない出来事を自分の目ではっきりと確認できてとてもよかった。（E） 爆発したり、薬品を反応させたり、ずいぶんにぎやかな実験だった。フェノールフタレインのアルカリ反応がきれいだった。テルミット反応というものを初めて見たが、しばらく目がチカチカしていた。久しぶりに実験を見たがとても楽しかった。（F） 化学式と化学反応式がわからない私でも、最後までわかりやすく、とても楽しかったです。実験もびっくりする事や、みんなで「ああ！」と言う事もあり、とても勉強になったし、頭に入る時間でした。またこんな楽しい分かりやすい時間があったらいいと思います。（G） 今日は貴重な体験をしてよかったです。爆発したときは心臓が止まりそうになっりました。普段の授業はよく分からないけれど、今日はとても分かりやすくて楽しかったです。（H） 最後はなかなか火がつかなくてじれったかったが、いつもの授業では見られないものが見れて楽しかったです。（I） 初めて見た実験で楽しかったです。鉄ができるときに出た花火みたいのがすごかった。（J）。 BACK TO CONTENTS |