レモンが電池に?!『レモン電池』

今回はレモンを用いて電池を作成してみました。

 

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この実験には多くの注意がある。

①レモンに触れるためクエン酸が手に付くので、リード線や銅板がすぐにさびてしまう。早めに濡れ雑巾等でふき取る。

 

②金属イオンが溶け出ているため、実験に使用したレモンや金属に触れたクエン酸付きの手で触れない。(※有毒なため)

 

③銅板等は加工によってはケガをしやすい形なため、注意する。

 

④なるべく酸性の強い果物や野菜を使う方が良い。(変化が観察しやすい)

 

⑤汁が出るので、容器の上にレモンをセットしたうえで行うとよい。

 

レモンなどの果物にはクエン酸やミネラルが含まれている。これらを含むもの溶液は電解質で、電極付近の反応に関わる。亜鉛クエン酸によりイオン化傾向が高いことから溶けだす。亜鉛イオンとなる際電子が放出されるが、その電子がリード線を伝って銅板に移動する。亜鉛板から銅板まで電子が動く道(今回はリード線)に電気で動くものを挟めば、電子が通過して電気が流れる。ちなみに電子を放出する亜鉛板側が負極(ー極)、電子を受け取る銅板側が正極(+極)となる。この板を深く差し込むことで亜鉛が溶け出る面積が増加し、電子の放出量も増加するため、電池がパワーアップしたように見える。(その分劣化も早い)

今回使用した電子メロディーの曲はハッピーバースデーである。LEDライトは足の長い方が+極(アノード)、短い方がー極(カソード)である。ものによっては足を広げられるものもあるので、今回のような実験の時は足を広げるとやりやすい。

 

また、マグネシウム亜鉛代わりに使用すると起電力が上がったのは、マグネシウムの方が亜鉛よりもさらに溶けやすいことが理由である。溶ける速度が速い分、電気の生成速度も上がると考えればよい。

 

ちなみにレモンが電池としてよく取り上げられるのは、酸の電離度、水素イオン濃度、酸性が高いことにある。他の果物(リンゴやサツマイモなど)でも出来なくはないが、非常に弱い電池になってしまう。電解質を含む水溶液を用意しなくてはならないが、それは正極(銅板)に溜まる電子をイオンになりたくない傾向が強い水素イオンが消費する仕組みが機能する必要がある。

 

亜鉛板で放出される電子は亜鉛周辺の水素イオンと反応することはもちろんあり、亜鉛板周辺で水素ガスが発生はする。しかし銅板に電子が移動して水素を発生させることの方が起こりやすい。水素イオンが水分子に還元される状態で、亜鉛より銅の方が良い触媒になっているために反応速度に差が出ていると言える。そのため、綿密にはイオン化傾向の差から銅板で水素ガスが発生するとは言えず、本当の正極は電子を受け取る水素イオンであると言えそうである。

 

 

一瞬で色が変化! 『時計反応』

今回は、複雑な反応である時計反応について工夫を凝らして実験してみた。

 

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仕組みとしては、亜硫酸水素イオン(HSO₃⁻)がヨウ素イオン(IO₃⁻)を還元してヨウ化物イオン(I⁻)が生成。同時に反応していないヨウ素イオンがヨウ化物イオンを酸化してヨウ素(I₂)を生成する。生成したヨウ素がデンプンと反応すると思いきや、残る亜硫酸水素イオンがヨウ素を還元してしまう反応が起こる。亜硫酸水素イオンが全て消費されることで要素デンプン反応が見られるが、亜硫酸水素イオンが消費されるまでの時間によって色が変化するまでの時間が変化するといったものである。以下に反応式を示す。

 

IO₃⁻ + 3HSO₃⁻ + → I⁻ + 3SO₄²⁻ + 3H⁺・・・①

 

5I⁻ + IO₃⁻ + 6H⁺ → 3I₂ + 3H₂O・・・②

 

I₂ + HSO₃⁻ + H₂O → 2I⁻ + SO₄⁻ + 3H⁺・・・③ (ヨウ素が亜硫酸水素イオンによって還元され分解されている反応)

 

式①が亜硫酸水素イオンがある限り進行し、亜硫酸水素イオンが消費されることで式②が進行してヨウ素が発生し、色が変化する。(I⁻は無色)

つまり、亜硫酸水素イオンの濃度や分量が、変化までの時間を決めるカギとなる。亜硫酸水素イオン濃度と変化までの時間の逆数を取ると綺麗なグラフになる。ちなみにチオ硫酸ナトリウムなどを加えると、再び還元が起こり溶液の色が無色に変化する。

 

今回時計に見立てて実験をした分量は、

A液(デンプン液、亜硫酸水素ナトリウム液)・・・10mlずつで混合して20mlに

B液(ヨウ素カリウム)・・・20ml

 

12時は希釈無しの溶液。そこを起点に1時には水を4ml、2時には水を8ml…と加えて希釈していく。

 

後半の実験は、初めはAB両方の液を40ml、水を120ml。(もわもわと変化)

AB液60ml、水80mlを次に行った。

 

初期構成↓

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落雷装置!稲妻走る教材

今回は、電気に関する教材を紹介する動画です。

 

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電気を流す際には、ライターを使用した。ライターオイルを抜き、場合によってはチャイルドロックを外すと扱いやすくなる。電気が流れる仕組みには、『圧電素子』が深く関わっている。動画後半に使用しているのは、光電管というものである。

 

圧電素子とは?

圧電体を電極で挟み込んだもの。簡単な構造のために丈夫で軽量化しやすいメリットがある。石英トルマリン、ロッシェル塩といった誘電性を示すモノを間に挟み、一方から強い衝撃を与えることで電気が流れる。電気が流れる理由としては、衝撃によって中和する形で並んでいる正負の電荷が偏り分極が起こり(誘電分極)片方に正の電荷、片方に負の電荷が発生し、その偏りを元の形に戻そうとする際にその間で放電が起こり電気が流れるというわけである。今では着火は勿論メモリー等様々なものに使われている。

 

今回は落雷について言われている説について検証することを行ってみた。イメージとして雷は高い建物に落ちると思うが、意外にも毎回高い建物に落ちないことが観察された。高さ等正確に設計をしていないため憶測にはなるが、面積も落雷の落ちやすさに関係していそうに思えた。また、炭素の濃さが電気の流れやすさに影響していると考えられる場面もあるが、二度目もその濃い方に電気が流れるわけではなかった。電気が流れることで酸化等の劣化が起き、電気が流れにくい状態になっているのではないかと考えられる。より正確な設計や対照実験のような条件設定をすれば、雷について考えることのできる良い教材になると考えた。

 

 

ショウノウでショウノウボート作り

今回は樟脳を使ったおもちゃ作りを行いました。

 

動画 (いつもご協力頂いている先生の動画を拝借しています)


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・樟脳とは?

 ショウノウとは、クスノキからとった芳香のある半透明の結晶を指す。ケトンの一種で(C₁₀H₆O)主に防虫剤に使用されるもので、はっかと似たような強く清涼感のある香りが特徴的である。昔にはカンフル剤として使用されたこともある。また、結晶は簡単に崩すことが出来るため、扱いには注意が必要である。また、製造工程としては、水蒸気蒸留を用いていると考えられ、ハーブオイルなどの精油を得る方法と同じと推測される。

 

今回作成したボートは後ろにパイプを詰めてその中にショウノウを詰めるもの、隙間を作り挟むもの、上に受け皿を作り、水面に少し触れる程度の深さに掘った後にそこへショウノウを載せるモノを考案したが、動画中で分かる通り、隙間を作り挟むものが一番良い結果を得られた。以下、作成手順を示す。

 

①発泡スチロールを縦3㎝、横2㎝、厚さ0.5㎝にカットする。

②前方を二等辺三角形に切り、後方はエンジンになるショウノウを挟むためのくぼみ

を、少しせま目に作る。

(狭く作る方がショウノウを詰め込んで落ちにくいエンジンを作ることが出来る。)

③広めの水槽を用意して走らせてみる。

(外側が円形の桶等を用意すると、端に当たったとしても綺麗に走り続けるためオススメ)

 

走る原理についてだが、これには表面張力が関係していると考えられる。ショウノウは表面張力を弱めてしまう。表面張力が弱まった方(今回はボート後方)に水分子が流れていき、その流れが推進力となってボートが進むと考えられる。

もしくは、ショウノウが表面張力を弱めることで、より表面張力の強い前方の水面に引き寄せられる形で船が動いていると考えられる。つまり、表面張力が均等ではボートは動かないが、表面張力の強さの偏りが生まれることによって、表面張力の強い方へボートが引っ張られていると考えられる。

 

 

石を擦ると明るく輝く訳は

今回は、火打石との関連で、プラズマについて考えてみました。

 

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 石が光る原理としては、石同士を擦り合わせた際に生じる摩擦エネルギーが空気中に含まれる窒素をエネルギーの高い状態にさせる(励起、励起状態)ことが関係している。

励起状態のこの窒素は、イオンではない不安定な状態なため(物質の第四状態ともいわれる)、安定した基底状態へ戻ろうとする。その際に余ったエネルギーを光エネルギーに変換して放出することによって発光が観察できる。

秋や冬といった乾燥しているときに観察できる静電気と似た現象ともいえる。

 

また、今回使用した石が発光を観察しやすかったことも重要である。使用した石は石英片岩というもので、二酸化ケイ素が多く含まれており透明度が高いことから、摩擦が起きる接触部分で発生した光が反映、透過されて石が光って見えるということである。

 

最後に紹介したのはプラズマについて楽しめる教材である。箔検電器でも指に電気が流れることを確認することがあるが、人間は体内にイオンを保有しており、電気が流れる導体の性質をもつ。そのため、教材のプラズマが手に吸い寄せられていると考えられる。

 

べっこう飴がまさかの色変化

今回は懐かしいべっこう飴を作成しつつ、甘みについて科学的に考えた。

 

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今回は砂糖水を加熱したが、加熱することで水分が蒸発し水分量が低下、成分の一部が酸化されカラメル化が起きる。一度加熱して溶かしてしまうと、元の規則的な結晶に冷やして固めることが出来ず、不規則な非晶質(ガラス)の形態になってしまう。

今回レモン汁を加えたが、酸を加えることで加水分解が進行し、スクロースグルコースとフルクトースになる分解反応が進んでいく。

実際に味見をしたが、酸(レモン汁)を加えた方がより甘く感じた。甘みがより強く感じたのは、分解でできたフルクトースが主な要因である。甘さを甘みの強い順に示すと、

F(フルクトース)>S(スクロース)>G(グルコース)隣、フルクトースは他2つより非常に甘い。

加水分解が進んでできたこのものを『転化糖』という。転化の由来は、糖類が光の振動面を曲げる(旋光)光学異性体の性質を持っていることに関係する。転化糖になることでその前の物質と旋光度が変化するために転化したとして転化糖と呼ばれる。

煙が燃える?!燃える秘密は…

今回は、煙が燃えるという不思議な現象の原因について考えてみました。

 

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ボトル内に、初めに線香を用いて煙を充満させる。その次にエタノールをボトル内に回し入れ(ボトル全体に均等に回し入れることがコツ)、着火する。その際、着火は素早く行わなければいけない。大きな音がするため着火に時間をかけてしまうが、時間が経つとエタノールが蒸発してしまい、上手く火がつかない場合がある。

燃焼が起こると、ボトル内の煙が消え去り、雲が晴れた晴天のような状態になる。

何回か試行したが、燃焼のスピードがばらばらであった。一瞬で燃える場合もあれば、ゆっくりと燃焼し、煙が徐々に下がって上部がクリアになるパターンも見られた。

煙が燃焼速度に何かしら関与している可能性が考えられる。

煙が燃焼したようにも見えるが、燃焼による内部の気体の膨張により煙が外部に押し出されているとも考えられる。

 

(※燃焼時ボトルが転倒するので、必ず固定する。また、周りに燃えやすいものを置かない。エタノール入りの容器は火に近づけず、着火前に遠ざけておく)