ブタンガスの蒸発熱

【概要】

ブタンガスの熱の吸収及び気化について学習する。

動画(※動画は都留文科大学化学実験Ⅰの一部)

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・準備物

ブタンガスボンベ（赤色のガスライター用ボンベ）、付属アタッチメント、沸騰石　2個、点火用ライター、試験管、ストロー、試験管立て、保護めがね

・操作手順

1. ガスボンベに付属アタッチメント（口が細いものを使用する。また、ストローの口径にぴったり合うものが良い。）をつけ、さらに6～10㎝程度にカットしたストローをアタッチメントに取りつける。
2. アタッチメント等を取り付けたガスボンベから、ブタンガスを試験管に注入する。（入れる際は冷たいので注意。量は2㎝程度で十分）
3. 沸騰石を入れ、様子を観察する。また、素手で試験管を温めるとどうなるか試してみる。（試験管側部を触ると冷たいので注意）
4. 点火用ライターを用いて試験管上部に点火する。(※この際、手で温めながらは危険なので、試験管立てに置いてから点火するとよい)
5. 火のついている試験管を温めたり、試験管を揺らしてみて、炎にどのような変化が見られるか観察する。

・留意点

• 気化しやすいので、点火の際には十分に注意を払い、試験管立てに立てた状態で点火するとよい。また、燃えやすいものを近くに置かず、保護メガネを必ず着用すること。
• ガスはとても冷たいので、軍手などをして作業をすると良い。
• アタッチメントだけでもガスをとることは可能だが、手に付着する可能性があるのでストローで口を伸ばすとよい。しかし、ストローが長すぎるとガスが気化してしまい採取できなくなるので注意。
• 点火後、試験管を持つ際は周囲の安全を確認したうえで注意して操作を行うこと。
• 手で温めると気化が一気に進むので注意。

原理

①吸熱と燃焼

ブタンガスは気化しやすく燃えやすい炭化水素。液体から気体への状態変化に伴う吸熱反応である。そのため、試験官の壁面に触れると冷たく感じる。ブタン（沸点約-0.5℃）は、液体⇄気体の変化を観察するうえで比較的取り扱いが容易な炭化水素でもある。ライターの燃料として用いられる可燃性の物質としてもよく知られている。

　また、試験管の口の部分や炎の上部が黒っぽくなる様子が見られるが、これはおそらく不完全燃焼によるすすと思われる。ブタンは炭素を4つ持っているため不完全燃焼が起こりやすくなるためと考えられる。（炭素が多いほど沸点が上昇し気化のためにエネルギーが必要になる。結果完全燃焼に必要なエネルギーから気化する分のエネルギーを差し引いているので不完全燃焼になる？）

　反応式としては...

C₄H₁₀（液）＝ C₄H₁₀（気）－22.4 kJ

といった吸熱反応となる。

　沸騰石から泡が出るが、沸騰石は多孔質であるので、刺激を与えることで突沸を防いでいる。（エネルギーを小出しにして分散させているともいえる。）

②炎の安定や内部で燃焼が起こらない理由

　試験管内部に炎がいかないことに加え、炎が安定するのはなぜかについて考える。燃焼には酸素（O₂）が必要。しかし、試験管内部はブタンガスが気化して充満し、更に気化し続けているので酸素が入り込めない（ガスの気化で酸素や空気が追い出されるイメージ？）。また、上部で燃焼に使われていることから、試験管内部には燃焼に必要な酸素濃度に達することが出来ずに、試験管内部では燃えないと考えられる。

　次に炎の安定性について考える。燃焼が起こっているので熱が発生し、上昇気流が発生している。この上昇気流に炎が包まれている形になっているため、炎は上昇気流に乗った縦型の形から姿勢を崩しにくいと思われる。（試験管を揺らしても、上昇気流の乱れる方向に炎が動いているように見える。）

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※都留文科大学理科教育の一環

硝酸アンモニウムの溶解熱・吸熱

【概要】

冷却材としても使用される硝酸アンモニウムと吸熱について学習する。

動画(※都留文科大学化学実験Ⅰの一部)

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爆発事故に関する動画

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・準備物

硝酸アンモニウム　10g、薬包紙、100mlビーカー、冷水　50ml、氷　2～3個、スターラー、スタンド、温度計（マイナス表記があるもの）

・操作手順

1. 100mlビーカーに冷水50mlと氷を入れ、スターラー上にセットする。さらに、スタンドを用いて温度計をビーカー中央部に固定しておく。
2. 硝酸アンモニウム10gを薬包紙に取る。
3. スターラーを起動した後、硝酸アンモニウムを一気に投入する。また、その時の温度も確認しておく。
4. 温度の変化やビーカー表面の様子を観察する。

・留意点

• 硝酸アンモニウムを加えるときは一気に加えること。少しずつ時間をかけていると、温度低下があまり見られなくなる。
• スターラーを起動する際、高回転させてしまい氷や温度計にぶつかることが無いように調整すること。
• 氷を入れたのは冷水を用意するため。予め冷水が用意できているなら氷は不要。

原理

①吸熱について

　エネルギーを周囲から得ようとする吸熱反応と呼ばれるものがある。ここでは、イオン結晶である硝酸アンモニウムを水に溶解させることで、溶液の温度が低下することを確認している。硝酸アンモニウムが水に溶解する際の反応式は…

NH₄NO₃ → NH₄⁺ ＋ NO₃^–

水に溶解してイオンとなった成分は、水分子と水和状態にあり、電気的に安定する。この溶解に伴って起こる熱の出入りは、次のように熱化学方程式で表すことができる。ただし、硝酸アンモニウムは、大量の水に溶解するので、その水をaqと表記したときの熱化学方程式は...

NH₄NO₃(固) ＋ aq ＝ NH₄NO₃aq － 25.7kJ

熱量がマイナスなことから、一般的に吸熱反応と呼ぶ。水を混合するだけでかなりの吸熱効果が得られるため、瞬間冷却材として利用されているとか。また、イオン状態は固体時より自由度が高いので熱運動が起こり、その熱を溶液から奪う結果温度が低下すると考えてもよいと思われる。エタノールの気化によるものも同じ。

　今回の実験ではマイナス5℃程度まで温度が低下した。上手くいけばマイナス8℃程度にまで下がり、ビーカーの底が凍ってスターラーに張り付くこともある。

②吸熱の利用

　溶解時に吸熱反応を示すものとしては、尿素、塩化アンモニウム、硝酸バリウム等がある。特に、水酸化バリウム八水和物と硝酸アンモニウムの混合物が強烈である。水酸化バリウムから解離した水分子に、それぞれの成分が溶け込んで、熱エネルギーの吸収が起こるというもの。ただし、この反応では、アンモニアが発生するので、取り扱いに十分な注意が必要となる。保冷剤の一部には、これら水に溶解する際の吸熱反応が利用されていて、混ぜ合わせると急冷する瞬間冷却パックがよく知られている。携帯できるので便利である他、廃棄しても問題がさほどない。ただし、硝酸アンモニウムそのものは多方面の製造において利用される物質で、肥料や医薬品、爆発物の原材料ともなるものである。

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貝殻から真珠を作る

【概要】

廃棄される貝殻を有効活用し、教材やその他の利用ができるように工夫した。

動画

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・準備物

アワビの貝殻、耐水サンドペーパー、水、トレイ、歯ブラシ、ピペット、塩酸（HCl、1㏖濃度。磨く用のもの。漬け込む用は別）、ピカール（金属磨き）、ティッシュペーパー、使い捨て手袋、保護メガネ

・操作手順(※数日を要する操作)

1. 操作前日以前に、薄い塩酸にアワビ貝殻をつけておく。（※高濃度では溶けてしまうので注意！）
2. トレイ上で、アワビ貝殻を水をかけながら耐水サンドペーパーで擦る。
3. アワビに塩酸（1㏖濃度）をピペットを用いて滴下し、歯ブラシで擦る。ある程度磨いてはまた塩酸をかけて歯ブラシで擦る。
   
4. ある程度汚れが落ちて光沢が見られれば、しっかりと水洗いを行う。
5. ピカール（金属磨き）を用いてティッシュペーパーでさらに磨き、光沢を出す。
   

・留意点

• 貝殻の購入はフリマアプリ等で可能。
• 塩酸濃度が高いと、光沢が見られる真珠層まで溶けてしまい、穴が開く等の可能性が出てしまう。
• 塩酸を用いるので、必ず手袋、保護メガネを着用して行う。

原理

①光沢が見える原理

　サザエやアワビの貝殻の内部には、炭酸カルシウムの結晶と微量のタンパク質が積み重なった層状の組織「真珠層」がある。真珠層がカラフルに見えるのは、特定色素が存在しているのではあるわけではなく、薄膜層での光の反射・屈折の結果、特定波長が干渉し合う光の構造色によるものである。層の厚さによって、強められる色は異なるので、全体としてはシャボン玉の光彩やオーロラのようにいろいろな光が混じって微妙な色合いとして観察される。

　貝殻の表面の石灰質は、炭酸カルシウムを主成分とした、コンキオリンというタンパク質とある種の多糖類によって構成されている。実験では、希塩酸を直接注いでいるが、高濃度だと、肝心の真珠層まで溶かし去ってしまうこともあるので、濃度を調整しながら操作する必要がある。

　また、真珠層を切り取って穴を空けるなどすれば、ちょっとした貝細工として楽しむことも出来るため、工芸品への興味関心を誘う窓口になるかもしれない。

②気体の発生

　貝殻の主な成分は炭酸カルシウム (CaCO₃) で、塩酸は塩化水素 (HCl) の水溶液である。そのため、貝殻に塩酸を加えて二酸化炭素 (CO₂) が発生するということは、CaCO₃とHClが反応してCO2が発生すると考える。
炭酸カルシウムは塩酸に溶けて二酸化炭素を発生する...
CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂（塩化カルシウム）+ H₂O + CO₂ ・・・①

CaCO₃はカルシウムイオン (Ca²⁺) と炭酸イオン (CO₃²⁻) からできており、塩酸の中では、HClは水素イオン (H⁺) と塩化物イオン (Cl⁻) に完全に分かれている。CO₃²⁻は、H⁺が多く存在する（酸性）溶液ではこれを受け取って炭酸 (H₂CO₃) という分子にまで変化する性質がある。さらに、H₂CO₃はH₂OとCO₂に変化する性質がある。
これをまとめると...
CO₃²⁻+ 2H⁺ → H₂O + CO₂ ・・・②

CaCO₃はCa²⁺とCO₃²⁻が存在してはじめて，水に溶けない安定な形で存在することができる。したがって、上の反応でどんどんCO₃²⁻が奪われていくと、Ca²⁺もどんどんCaCO₃から出てくることになる。
式②の両辺に、実際には反応していないCa²⁺と2Cl⁻を加えると式①の形になる。ただし、水溶液中ではHClはH⁺とCl⁻に、CaCl₂はCa²⁺と2Cl⁻にそれぞれ完全に分かれていることに注意しなければならない。

生成したCO₂は一部は水溶液中に溶存するが、溶解度が低いためほとんどは大気中へ抜けて行ってしまうので、二酸化炭素が発生している様子が観察できる。

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FPS別で交流電流を観察してみる

【概要】

交流電流を観察できる映像コンテンツを作成した。

動画（※点滅が映るので、視聴には注意！明るさを下げるとよい。）

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・準備物

屋内の電灯、スマートフォン

・操作手順

1. スマホでビデオ撮影時、右上の数字を『24.30.60』と変更して、それぞれの電灯を撮影してみる。

・留意点

• スマホで撮影すると、点滅が観察されるので、長時間の観察は避ける。
• 近距離での撮影は行わない。必ず距離をとり、画面からも目を離すこと。
• 明るさを下げて観察する。
• 観察対象は蛍光灯よりも他の電球等が良い。蛍光灯では点滅が強すぎると感じた。

原理

①FPSとは？

　別の意味もあるが、『Frames Per Second』の略称。1秒間の動画で何枚の画像を使用するか、何枚の画像で構成されているかを示す。この値が高いほど、容量は大きくなるが使用画像が増えるため、より滑らかな動画となる。逆に値が低いと、使用画像数が減るので、かくついた動画になる。例としては、回線が悪い時に映像が飛んだりかくついたりする状況に近い。

②交流電流

　交流電流とは、電気の流れる向き、電流、電圧が周期的に変化している流れ方。同じリズムで電気が向きを交互に変えながら流れる電気の流れをさす。一方、電気の流れる向き、電流や電圧が変化しない電気の流れを直流電流という。

　家庭で使用されている電気は全て交流である。そのため、プラグの向きを気にせずとも、させばそのまま使える。直流の例は懐中電灯で、電池の向きを変えると点灯しなくなる。

　交流電流が家庭で流れているため、電灯を観察すると、点滅が確認できる。電流の向きが変わることで一瞬暗くなる時間があるため、点灯と点滅が起きている。ただ、技術進歩により、点滅が分からないほど高速で交流のやり取りが出来る部品の開発が進み、組み込まれているとか。

　では何故家庭では交流なのか。勿論、プラグの向きを気にしなくてもよい、消耗が少ないといったメリットもあるが、一番は変圧が容易である点だ。発電して各方面に送電するとき、高電圧で電気が送られる。もしその電気を変換もせずに使用出来たら損失が無くて良いのだろうが、高電圧過ぎて機械の故障や事故が起きかねない。そのため電圧を下げる必要があるのだが、交流はこれが容易に行えるため採用されている。しかし、無効電力や超長距離の送電には向かない等のデメリットはある。

③FPSを変えてみると

　フレームレートを変えてみると、同じように撮影していても、見える明るさや色味が変化して見えた。これは、交流の周期とフレームレートの兼ね合いによるものと思われるが、実に面白いと感じた。映像はこちら→fps別での交流電流の観察 【※点滅注意！】#Shorts - YouTube

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高吸水性ポリマーの性質

【概要】

高分子の学習の一環として、体感できる教材を作成した。

動画

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・準備物

おむつ、水、ビーカー、着色料、シャーレ、薬さじ、塩化カルシウム（CaCl₂）水溶液、新聞紙やフェルト等の敷物、にんじんのへた【発展】

・操作手順

1. おむつの吸水部分を開き、綿と粒をシャーレに取り出す。
2. ビーカーに水を入れ、着色料を少量入れて色を付ける。
3. 粒をビーカー内に入れて薬さじで軽くかき混ぜる。
4. 十分に水を吸ったら、ビーカーを倒してみる。
5. 吸水しているポリマーに塩化カルシウムを入れて再び薬さじでかき混ぜ様子を観察する。
6. 【発展】吸水したポリマーをシャーレに取り、そこににんじんのへたを置いて水耕栽培に挑戦してみる。

・留意点

• ポリマーを取り出す際は、ちいさな粒が飛び散るため注意する。

原理

以下引用記事。引用先→吸水ポリマーで野菜を育てる | らくらく理科教室 (sciyoji.site)

紙おむつを破き、中身の吸水性ポリマーの小片を取り出してみました。ポリマーが飛び散らないよう、新聞紙等を敷いておくといいでしょう。ビーカーに移して水を加えるとたちまち膨潤し、ビーカーを倒しても水は流れ出てきません。約1  g でゆうに100  mLは吸水できるようです。しかし、そこにある種の金属イオンを含む電解質を加えると、蓄えられていた水が開放されてきます。なお、動画では、ニンジン上端の切れ端を用いて水耕栽培のようにしています。

「解　説」

高分子電解質による膨潤：吸水性ポリマー(SAP:Super Absorbent  Polymer）)は高分子化合物で、分子内にカルボキシル基がイオンになったもの -COO^– とナトリウムイオン Na⁺ を含んでいます。両イオンともに水との親和性が高く、水溶液中でナトリウムイオンが離れると、ポリマーにつながっている-COO^–が互いに反発し合うようになります。分子間にスペースが生まれ、そこに水が入り込んで全体が膨潤するのです。鎖の部分は架橋されているので、分子は溶解せず、全体として高分子ゲル状態が生まれます。市販されている紙おむつには、ポリアクリル酸ナトリウムが使われていますが、元の体積の数百倍～にまで水を吸い込むことができるとされています。なお、膨潤したポリマーに強酸や金属イオンを加えると水がしみ出てきてしまいます。これは、酸が加わることでカルボキシル基-COOHに戻り、ナトリウムイオンを含む水が出てきたことによります。この場合、酸の水素イオンとナトリウムイオンが交代する、イオン交換が起こることになります。この種のポリマーの性質は、イオン交換樹脂として、水の精製（不要なイオン種を除く）に利用されています。高分子吸水ポリマーは、衛生用品の他、吸湿性建材、土壌保水剤、保冷剤など、様々なものに用いられています。特に、砂漠の緑化計画のような地球的規模のプロジェクトでは、大きな効果が期待されるようになっています。

なお、実験で捨てられる運命にあるちっぽけな根菜の切れ端を使って、芽を出させるというトライをしています。しかし、電解質濃度の関係かあまり大きな成長は期待できないので、適当な時期にポットに移して育てることをお勧めいたします。

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色の変わる消しゴム

【概要】

太陽光や光の学習においての導入に用いることのできるものの紹介を行う。

動画

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・準備物

消しゴム(SUN Radan、太陽のレーダーBGの水色を使用。他色もあるのでいつか試してみたい)、ブラックライト（※あれば。強力なものが良い？）

・操作手順

1. 消しゴムを太陽光に数秒晒して色の変化を確認する。
2. 屋内に戻り、再び色の変化を確認する。

・留意点

• 太陽光に長時間晒さない。変色して戻らなくなる可能性がある。
• スリーブがあってもよいが、外した方が全体の変化が観察しやすい。
• 色は、太陽光から離しておくと元に戻る。

原理

　色が変わる理由はおそらく紫外線であり、UVビーズの色変化と似ていると思われる。

UVビーズの記事はこちら(変色の詳しい原理も)

vcpteam.hatenablog.com

　しかし、レジン用のLEDブラックライトでは、色の変化が見られなかった。原因としては、ブラックライトのパワーが足りなかった可能性や、照射時間が短すぎた可能性もあるため、検証の余地がある。また、温度による変化を疑い、熱湯内に入れてみたが、色の変化は見られなかった。（※熱による変形の可能性がある他、推奨された使い方ではないため要注意）

　別の色のものもあり、それぞれ変化する色が違うため、是非購入して試してみてもらいたい。

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ワイヤレス充電の仕組み

【概要】

ワイヤレス充電の仕組みを確認できる教材を開発する。

動画

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・準備物

エナメル線コイル　2つ（接続する部分はやすりで削って被膜をはがす）、電池ボックス、単三電池、LEDライト　2つ(色が違うとよい)、工作用紙　2枚、トランジスタ、やすり

・操作手順

1. 下図のように、【コイル、トランジスタ、電池ボックス、LED　1つ】を組み込む。
2. もう一つの回路にLEDを取り付けておく。
3. 単三電池を取り付けて回路を起動させつつ、コイル同士を近づけたり遠ざけたりする。また、コイル間に工作用紙を挟むとどうなるか、コイルを反転させて巻き方向を180度変えた時はどうなるかも試してみる。

原理

　コイル・トランジスタ・LED・抵抗などを用いている。一次コイル(送電側)の青色LED(定格3.0V)は、昇圧回路によって1.5Vの乾電池1本でも発光している。動画では、一次コイル(送電側)に二次コイル(受電側)を近づけると、二次コイルの桃色LEDが発光し、離れたコイルに給電が可能になるということを確認している。

　独立したコイルが光るのは電磁誘導によるもの。回路に組み込まれたコイルには電気が流れているので、磁力が発生する。そこに独立したコイルが近づくと、内部の磁場が変化して電流が流れ、接続していないLEDが光ると考えられる。また、180度コイルを回転させて巻き方向を変えると、逆から近づけないとLEDが点灯しない。

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