シュウ酸ビスによる化学発光

今回はシュウ酸ビスを用いた化学発光を実験してみました。

動画（※動画は都留文科大学化学実験Ⅰの一部）

youtu.be

・準備物

シュウ酸ビス　0.1g、ローダミンB　極少量、混合液(フタル酸ジメチル：2－メチル－1－プロパノール：過酸化水素＝16：4：1)　4ml、お湯　約100ml、200mlビーカー、5ml駒込ピペット、ミクロスパーティル、試験管

・操作手順

1. 乾いた試験管にシュウ酸ビス0.1gを入れる。
2. ローダミンBを極少量、ミクロスパーティルを用いて入れる。（※入れ過ぎると発光が観察しにくい。ミクロスパーティルをローダミン入りの瓶に入れて、付着したローダミンBを入れる。入れる量が少しでも多いとピンク色になる）
3. 混合液を4ml、駒込ピペットを用いて試験管に入れる。
4. ビーカーにお湯を100ml注いでおき、試験管を入れて揺らしながら温めて様子を観察する。

・留意点

• ローダミンB使用量は極少量でよい。入れ過ぎには注意。今回は入れ過ぎた為、暗がりでも赤い発光が見られた。然し、本来は明るい時は溶液は赤く見えるが、暗がりでは青っぽく発光して見える事が目的(動画の最後の方が成功例)。

原理

　一般に発光スティックとして知られているもの。工業的に生産されるシュウ酸ビスという物質の反応が利用されている。シュウ酸ビスは、過酸化水素によって活性中間体をつくり、この中間体がさらにペレリンのような別の蛍光物質を活性化、励起状態に引き上げると考えられている。それが基底状態に戻る際に余剰なエネルギーによって発光する。

より詳しい解説はこちら→化学発光 | らくらく理科教室 (sciyoji.site)

蛍光と化学発光について

蛍光

①物理発光(一般的では言わない…？)、②エネルギーを与えると光り、消耗が少ない、③可逆性がある(UVは普段見えないが、波長を変化させれば観察が可能になる。蛍光灯は、紫外線が当たった発光物質が可視光として発光する)

化学発光

①エネルギーを与えなくても光り、別物質になる、②別物質になるので不可逆性　【A → B + 光(E)　A：反応前の物質、B：反応後の物質】

発光関連で...

　化学発光にルミノール反応があるが、実はカブやダイコンでも発光が見られる。カブやダイコンにルミノール液を付着させると、特に外皮に近い方の発光が強くみられる。発光が見られるのは植物体に含まれる酵素（カタラーゼやペルオキシダーゼ）が過酸化物と反応することによる。また、外皮に近いところで光る理由として、過酸化物は生物にとって有害・有毒であるため、外皮付近で分解する自己防衛反応の一種ではないかと考えられている。

　日光下では10万倍速く酸化するとか…？また、傷口にオキシドールを使用した際に泡が出来るが、これもカブやダイコンと同じ防衛反応だと考えられる。

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環

ルミノール反応

今回は、ルミノール反応を長く観察できる工夫をしてみました。

動画(※動画は都留文科大学の化学実験Ⅰの一部)

youtu.be

より詳細な作り方動画

youtu.be

・準備物

ティッシュペーパー、ヘキサシアノ鉄（Ⅲ）酸カリウム（鉄剤）　約0.3g、テープ、ペットボトル（500ml）、ルミノール液（ルミノール0.04g+水酸化ナトリウム0.4g+水40ml+過酸化水素0.4ml）、50mlビーカー

・操作手順

1. ティッシュペーパーにヘキサシアノ鉄（Ⅲ）酸カリウムを少量くるみ、テープでとめる。（※止め具合によって反応の持続時間が変わるので注意）
2. ペットボトルにルミノール液とヘキサシアノ鉄（Ⅲ）酸カリウムを入れ、蓋をする。
3. ペットボトルを振って発光を観察する。

・留意点

• ティッシュペーパーでくるんだ後、軽くとめる程度だと、ティッシュペーパーがすぐに破れてしまい発光が一瞬で終わってしまう。持続させたいなら、ある程度ティッシュペーパーにテープを巻き付けて、破けにくくしておくとよい。
• 鉄イオンが少なくても発光量は大きく変わらないため、少量ずつ用いる今回の手法が良いと思われる。
• テープで固く固定していない限り、強く振るとティッシュペーパーが破ける恐れがある。軽くとめた場合は、揺らすように軽く振る程度にしておく。
• 使用済みペットボトルは焼却処分が望ましい。
• ルミノール液は、長期間保存が可能である。(約1か月ほどだが、管理には十分注意する)

原理

詳しい原理はこちらの記事でも解説→証拠を探せ！『ルミノール反応』 - VCPteam’s blog (hatenablog.com)

　物質がエネルギーの高い励起状態から安定した状態に移行する際に、余ったエネルギーを放出し、それが光に変換される現象を、化学反応の結果で光を発するため『化学発光』と呼ばれる。化学発光は熱の発生をほとんど伴わないため、冷光とも呼ばれる。今回は、ルミノールが過酸化水素のような酸化剤によってエネルギーの高い不安定な励起状態にされることにより、それが安定した物質に移る際に余剰なエネルギーが青白い光となって放出される。

　ルミノールを用いた発光現象は、鉄（Ⅲ）イオンのような触媒が存在しないと反応がほとんど進まない。逆に、発光現象によって鉄（Ⅲ）イオンの存在を確認することが出来る。つまり、鉄（Ⅲ）イオンが触媒として働き、酸化反応を促進するというわけである。これを利用して、血痕の鑑識に用いられたこともあったが、人間の血痕なのかどうかの判定能力が低かったとされている。人間の血液ではよく発光が見られるが、レバーなどを用いると上手く発光が見られないとか。

　ちなみに、ヘキサシアノ鉄（Ⅲ）酸カリウムは錯イオンで、赤血カリとも呼ばれる。（Ⅱ）を用いても発光は見られない。

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環

ウミホタルの発光実験

今回はウミホタルを用いて実験をしてみました。

動画（※動画は都留文科大学化学実験Ⅰの一部）

youtu.be

・準備物

乾燥ウミホタル　数粒、ガラス棒、ルミノール水溶液（ルミノール0.02g+水酸化ナトリウム0.2g+水を加えて全量を20ml）、試験管、薬方皿、水　極少量

・操作手順

1. 乾燥ウミホタルを薬方皿にとり、試験管に移す。
2. 水を数滴加えて、ガラス棒でウミホタルを軽くつぶす。
3. つぶしながらウミホタルをつついて様子を観察する。

・留意点

• ウミホタルが古いと発光が観察されない場合があるので注意する。
• 水を入れ過ぎると発光の観察がしにくいので、数滴で十分である。
• 綺麗な水では光らないため、水道水で行うとよい。
• ウミホタルを潰さないと様子が観察できないので注意。事前に乳鉢などですり潰してから行うとよい。もしくは、ある程度潰す操作を始めに取り入れておく。

原理

①発光について

　生物発光と呼ばれるもの。有名なものではホタルがある。体外に放出された基質（ルシフェリン）が、酵素（ルシフェラーゼ）の作用によって酸化され、その時発生した化学エネルギーにより発光する。今回は乾燥ウミホタルを使用したが、乾燥していても発光が観察できた理由としては、発光に関与する化学物質が結晶化して保存されているからと考えられる。ウミホタルの生息地域や種類によっては、今回のような青白い光もあれば黄色に発光するものもいるとか。また、発光反応には水が必要なため、長期保存の際は冷蔵庫などでの保存が必要。

②ウミホタルとは

　全長2～3㎜の節足動物甲殻類貝虫目ウミホタル科に属する無脊椎動物。見た目はガラス玉のようにも見える。生息域は、水質の良い所や沿岸の砂底などが挙げられる。死んだ魚の肉などに食いつくとか。

③生物発光の関連で、ホタルについて

　ホタルは、体内に存在するルミノールに似た構造を持つルシフェリンが、ルシフェラーゼという酵素とATPの働きでオキシルシフェリンという物質になる。このエネルギーが高い励起状態のオキシルシフェリンが分解して一気に安定した基底状態に戻るとき、余剰のエネルギーが黄～黄緑色の光となって放出されると考えられている。また、これらの体内で関与した物質は効率的にリサイクルされることも知られている。ホタルの種類によって色合いが違う他、幼虫期でも発光が観察できるらしい。チョウチンアンコウ等、生物発光の面白さがよくわかる。

発光に関する他の記事

vcpteam.hatenablog.com

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環

安全ピンに金メッキ

今回は、安全ピンに金メッキをしてみました。

動画

youtu.be

安全ピンを用いて簡易的な金メッキを試してみた。以下、引用。

引用先→ヨウ素に金が溶ける ～安全ピンの金メッキ～ - science_memoの日記

参考記事→金メッキ＿安全ピンを金色に！ | らくらく理科教室 (sciyoji.site)

【概要】

ヨウ素液に金箔を溶かし、アスコルビン酸（ビタミンＣ）を加え、金コロイドを生成した。その後、金コロイドに電圧をかけ安全ピンをメッキした。

【詳しい話】

ヨウ素 I₂ はヨウ化カリウム KI 水溶液によく溶け、三ヨウ化物イオン I₃⁻ （ヨウ素デンプン反応においてデンプンを青紫色に呈色させる原因もこの三ヨウ化物イオン）となって存在している。－①

三ヨウ化物イオン I₃⁻ は金 Au と反応し、錯イオンとなるが、この錯イオンは非常に不安定であるためすぐにテトラヨージド金（Ⅲ）酸イオンとなる。－②、③

そこにアスコルビン酸水溶液を加えることで錯イオン中の金（+Ⅲ）原子が還元される。－④

①　I₂ + I⁻ ⇄ I₃⁻

②　2Au + I₃⁻ + I⁻ → 2［AuI₂]⁻

③　［AuI₂]⁻ + I₂ → ［AuI₄]⁻

④　Au³⁺ + 3e⁻ → Au

※還元された金原子はコロイド粒子として水溶液中に分散する。そこにアスコルビン酸を加えることで金粒子の表面にアスコルビン酸が吸着し安定して存在することが出来る。しかし、これらは静電気的に安定しているだけであるため、電気を流すと金粒子は陰極に向かい金属表面に張り付くと考えられる。

【実験】

・準備

ヨウ素液（I₂:KI:エタノール:水＝6:4:63:27）　アスコルビン酸水溶液（0.05g+純水0.5ml）　金箔1/4枚　薬包皿　電池　リード線　ガムテープ　安全ピン2本　爪楊枝　シャー芯　炭酸水素ナトリウム粉末（重曹）　シャーレ

・操作

1.試薬を調整、準備する。

2.薬包皿を固定し、赤いリード線（陽極）にシャー芯をはさみ、陽極が左手、陰極が右手にくるようガムテープで固定する（陰極側はある程度自由が利くようにしておく）。

3.安全ピンを繋げる。

縦の安全ピンを陰極側のリード線とつなげる。

4.薬包皿に入るよう、金箔を爪楊枝で丸める。

5.薬包皿にヨウ素液1mlをとり、その中に金箔をいれてとかす。

画像では陽極側にシャー芯をつけているがこの過程で折れたため後でつければよいと思う。

6.金箔が完全に溶けたら、アスコルビン酸水溶液を0.5ml加え爪楊枝で混ぜ溶液が透明になったことを確認する。→金コロイド

7.陰極側のリード線に3の安全ピンをはさみ、水溶液中に浸す。陽極のシャー芯に当てないようにメッキする。

8.炭酸水素ナトリウム粉末をシャーレに適量とり、メッキした安全ピンを磨く。

9.粉末をよく落とす（水で洗っても良い）。

10.7～9の操作を2,3回繰り返す→金が付着した安全ピンのほうがメッキされやすくなるため回数を重ねると綺麗な金色になる。

右側の安全ピンがメッキされたもの

【まとめ】

・何人かでこの実験を行ったが、金が溶けきる速さにかなりの差があった。おそらく金箔の密度を高くしてしまった（金箔を丸める際小さく、硬くしてしまった）人は溶けるのに時間がかかってしまったのだと思う。

・金は王水にしか溶けないというわけではなかった。王水だけでなくヨウ素、ヨウ素以外のハロゲンにも溶けることを知った。

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環

コーンフレークが磁石に反応する

今回は、コーンフレークが磁石に反応するか検証してみました。

動画

www.youtube.com

・準備物

コーンフレーク（鉄分入りの表記のもの推奨）、皿、水、ペットボトル、ネオジム磁石(強力なものであるほど観察しやすい、ケガに注意)

・操作手順

1. 皿に水をいっぱいに張り、コーンフレークをそっと水面に浮かべる。
2. ネオジム磁石をコーンフレークに近づけて、反応するかどうか調べる。また、逆方向からも近づけてみる。
3. ペットボトルに水を入れ、コーンフレークを入れる。
4. 蓋をしてコーンフレークが細かく砕けるまでよく振る。
5. 溶液が少し濁る程度によく砕けたら机に置き、ネオジム磁石を近づけて少し待つ。（※振って溶液が動いているうちにネオジム磁石を近づけること。ペットボトルを置く位置にあらかじめネオジム磁石を置いておくとよい。溶液が動いていることで鉄がネオジム磁石に近づくと引き寄せられる。）
6. 溶液の動きがある程度落ち着いたら、ネオジム磁石を動かしたり、近づけたり離したりして溶液内部を観察する。

・留意点

• ネオジム磁石に指等を挟んで怪我をしないように気を付ける。
• 廃棄時はつまりなどに注意する。

原理

　コーンフレークを水面に浮かべ、強力ネオジム磁石を近づけると確かに引き寄せられているように観察できる。水面に浮かべているので、静電誘導の影響ではないと思われる。次に、ペットボトルに入れて水と一緒に振る。やはりネオジム磁石を近づけてみると、何やら黒っぽい物体が集まってくる。よく見ると、砂鉄のように磁力線を描いているように見える。おそらくは、鉄粉あるいはその酸化物が添加されていると思われる。もちろん、安全性が確認されている上で食品として扱われている商品であるため、安心して食すことにしたい。

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環

コヒーラ検波器を作ってみる

今回は、コヒーラ検波器を作成してみました。

動画

youtu.be

・準備物【並列回路を作らないバージョン】

プラカップ、100均LED、アルミホイル、ワニ口クリップ　2本、電池ボックス(ボックス自体にオンオフスイッチが存在するものを使用した)、単三電池、圧電素子装置(ライターからガスを抜いたもの)

・操作手順

1. アルミホイルをちぎっては丸め、アルミホイル球を数十個作成する。また、それをプラカップに入れる。さらに、アルミホイルを折って接点を2つ作り、アルミホイル球に触れるようにプラコップ側面に取り付ける。
2. 下図のように回路を作成し、電池ボックスのスイッチをオンにする。
3. 圧電素子を近づけて起動し、LEDの点灯の様子を観察する。
4. プラカップを軽く叩いたり揺らしたりした時のLEDの様子と、再び圧電素子を用いた時の様子を観察する。
5. 【発展】LEDをさらに、ワニ口クリップを用いて回路に並列に組み込んだ後、上記操作3.～5.に取り組んでみる。

・留意点

• 接触が悪いとLEDが点灯しない場合がある。その為、アルミホイル球の数は多い方が良い他、LEDが点灯しなければカップを揺らしてアルミホイル球の位置を変えてみる。
• 発展で使用するLEDは時間経過で色が変わるもの。色による定格電圧の違いにより電流量が変化するので、並列に繋いだ単色LEDの明るさが変化する。

原理

　電磁波のエネルギによりアルミニウム表面の酸化被膜(酸化アルミニウム：導電性なし)が溶かされる。アルミ球どうしが接触している部分で電気が流れるようになるため、電波で電流を制御できるという考えに基づく装置。現代のリモコン技術に通じる発明とされている。

　電磁波が金属粉末に到達する際に、そのエネルギーによって金属表面の抵抗が著しく低下して電気が流れやすくなるという現象を利用した装置。アルミニウム表面の酸化被膜である酸化アルミニウム Al₂O₃ は、導電性はないが、電磁波のエネルギーによって局在的に熱が発生する。すると、アルミニウム表面が溶けて、アルミニウム単体 Al がむき出しになって電気が流れやすくなるというものだ。金属粉末や球体を用いた場合、接触している部分がわずかであるため、この現象がより顕著に起こると考えられる。

　この発見は、1890年、金属粉末の電気伝導性を研究していたエドアール・ブランリーによるもので、直後にオリバー・ロッジがこれを検波器に応用したことで、その後の無線技術の向上に大きく貢献することとなった。コヒーラという名称は、当初、この現象が高周波により電極と金属粉末同士が「密着する」(cohere)からだと考えられたことによる。この電磁波によって電流を制御できるという考えは、現代のリモートコントロール技術につながる大発明となった。なお、リモートコントロールについては、かのニコラ・テスラが、1898年に無線操縦の特許を取得し、ニューヨークで無線操縦の船舶模型を実演したという記録が残っているとか…

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環

マシュマロが膨らむ？！

今回はマシュマロを加熱してみました。

動画

youtu.be

・準備物

マシュマロ（今回使用したもののように大きくなくてよい）、耐熱容器、電子レンジ

・操作手順

1. マシュマロを耐熱容器にのせる。
2. 電子レンジで加熱して様子を観察する。（※高熱や長時間の加熱は焦げや火災につながるので、必ず電子レンジの前から離れず、変化が観察出来たら加熱を止めれるようにしておく）
3. 電子レンジから耐熱容器を取り出し、少し冷ます。その後、元のマシュマロと様子を比べてみる。（※取り出す際には火傷に注意）

・留意点

• マシュマロの加熱時、焦げ付く可能性があるのでいつでも加熱を止められるように電子レンジの前から離れないようにしておく。
• 爆発の危険性があるので、膨らみが観察できたら加熱を中止するとよい。

原理

　マシュマロを加熱すると元の大きさの何倍にも膨らむ。ではなぜ膨らむのか。これは含まれる水分と、あの食感を生むために多く入っている空気が要因である。

　電子レンジで加熱すると、マシュマロ内部の水分が加熱される。また、水分の熱が周りの空気に伝わり、空気も温められる。水分は加熱されると水蒸気になり体積が増加し、空気も温められることによって膨張するため、マシュマロは膨らむ。

　マシュマロがしぼむのは、空気の膨張にマシュマロが耐えられなくなって穴が開いたためか、熱によってゼラチンが溶けて穴が開いたのであると考えられる。ただ、必ずしぼむわけではなく、爆発する危険性もあるため加熱には注意を要する。

　また、加熱後のマシュマロの表面が硬くなっているのはおそらく、マシュマロに含まれるタンパク質が凝固したためか、糖分が溶けてさらに脱水が進み固まったせいなのではないかと思われる。マシュマロにはメレンゲが使われていることが多いため、一時期流行った『雲パン』に近いものと考えられる。

監督官をしていただいている先生のブログ（らくらく理科教室）はこちら→らくらく理科教室 (sciyoji.site)

先生のYouTubeチャンネルはこちらから→らくらく科学実験 - YouTube

※都留文科大学理科教育の一環