大学初学者向け化学教材の開発 1

BulletinofFacultyofEducation,NagasakiUniversity:CurriculumandTeachingNo.47(2007)13‑20

大学初学者向け化学教材の開発 1

‑磁石を用いた共有結合モデルー

星野 由雅 *･田浦 正典 * *

(平成 18年10月31日受理)

ATeachingMaterialforBeginnersofChemistryatUniversity

‑AModelofCovalentBondbyUsingMagnets‑

YoshimasaHOSHINO ･MasanoriTAURA (ReceivedOctober31,2006)

1 はじめに

私 た ちは,化 学 の事象 ･現象 を,マ クロ レベ ルで は色 の変化 ,相 の変化 な どで知 る こ と が で きるが,本 来,現象 はナ ノ レベ ル,す なわ ち原子 ･分 子 レベ ルで起 こってい るため, 現象 の本 質 を 目視 す る, さ らには体 感す る こ とはで きない｡ この "目視 で きない" あ るい は "体 感 で きない" とい うこ とは, ヒ トが物事 を理解 す る上 で大 きな障害 となる｡ この障 害 をい くらかで も低 くす る役 割 を担 うのが化学教 材 であ る｡ 化学教材 は,学習者が化学 の 原理 ･現象 を直感 的 に理解 す るの を助 け る役 割 を担 ってい る｡ それ故,教材 は,数式 な ど での理解 が まだ困難 な小 学生 や 中学生 あ るい は高校生 向 け に,多 く開発 されてい る｡ 高校 生 向 け には,原子 ･分 子 レベ ルの三次元描画 (コ ンピュー タグラ フィ ックス) のデ ジ タル 教材1)も開発 され,理 解 の一助 とな ってい る｡ 大 学 の化 学教 育 にお い て も,原子 や分子 を三 次元 で表示 した コ ンピュー タグ ラ フ ィ ックス を用 い た講 義 が ,今 で は一般 的 で あ ろ う｡ しか し,デ ィス プ レイ上 に如何 に精巧 なモ デル を表 した と して も,所 詮 デ ィス プ レイ は二 次元 であ り, 目視 はで きて も,体 感 はで きない｡ そ こで,本研 究で は,大学生 の化学 を学 ぶ初 学者 向 け に,化 学結合 の一つ で あ る共有結合 をモ デル化 し, "体 感 で きる"教材 の開発 を 目指 した｡

共有結合 は,一般 に "原子が互 い に一 つずつ結合 に必要 な電子 を出 し合 い,それ を共有 す る こ とに よって成立 す る" と言 われてい る｡ しか し,2つ の電子 と2つ の原子核 との関 係 は,直感 的 には理解 し難 い｡ この共有結合 のモ デル と しては, ゴム紐 で繋 がれた球 を二 つ の原 子 に見 立 てて伸 び縮 み させ て,原 子 の結 合 の様 子 を説 明す るモ デ ル²⁾や 同 じ く2 つ の玉 をバ ネで繋 い だモ デ ル3)が あ る｡ 原子核 は プ ラス の電荷 を帯 びて い るので, お互 い に接 す る こ とな く, また,電子 を共有 してい るので離 れす ぎる こ ともな く,あ る一定 の

*長崎大学教育学部数理情報講座 (化学)

**長崎大学大学院教育学研究科教科教育専攻 (理科教育専修)

距離 を保 っている｡ 図1に共有結合 における原子核 間距離 と核 間に働 く引力 と斥力 との関 係 を示す｡2つの原子核 間 と2つの電子雲間には斥力 (図1中A曲線)が,お よび,一方 の原子の原子核 ともう一方の原子の電子雲 との間には引力 (図1中B曲線)が働 く｡ 図1 か らわかるように, これ ら2つの力 を合成 したのがC曲線である｡ そ して,2つの原子の 間には引力 と斥力 とが釣 り合 った点

( F ‑0

の点,ro)があ り, これが平均結合距離 とな る｡ ゴム紐 でつながれた結合モデルは,ある一定の距離で引 き合 うとい うことは表す こと がで き,それを体感す ることもで きるが, よ り短い距離では反発す る とい う性質は表 して お らず, これを体感す ることはで きない｡ また,バネで繋いだモデルは,引力 ･斥力の様 子 を表現す ることはで きるが,バ ネで繋いでいることが学習者 には見 えてお り,当た り前 の こととして捉 えられて しまい,原子 レベルの現象 を想起 させ るだけのインパ ク トを与 え ることは,難 しい｡言い忘れていたが,教材 に必要 な要素の一つは,学習者の興味 を大い に引 き付 けることである｡ その点 において,バ ネモデルは学習者 の興 味 を引 き付 けるに は,役不足 である｡ そこで,本研究では,原子核 同士が紐やバ ネなどで直接繋がれていな いのに,二つの原子核 間に引力 と斥力 とが働 く共有結合モデルを磁石 を用いて開発 したの で報告す る｡

F

図 1 原子核間距離に対する核間に働 く引力 (B),斥力 (A)とその合成 (C)4)

2

教材の製作

教材の作製法 を下記 に記す｡完成 した共有結合モデルは,写真1に示す｡

2.1 材料

星野由雅 ･田浦正典 :大学初学者向け化学教材の開発1‑磁石 を用いた共有結合モデル‑

1 5

･発泡 スチ ロール

( 5 0mm x5 0mm x5 0mm)×2

(ザ ･スチ ロール,

DI Y

シ ョップ 購入)

･ネオジム磁石A

( ￠5mm

x2

mm)

× 2(ザ ･マグネ ッ ト,

1 0 0

円シ ョップ購入)

･ネオジム磁石

B

⁽

￠5mm

x

5mm)×8

(ザ ･マ グネ ッ ト,

1 0 0

円シ ョップ購入)

･アク リル板 (厚 さ

5mm)

(アクリルサ ンデー,

DI Y

シ ョップ購入)

･テフロンシー ト (厚 さ

0 . 3mm)

(サ ンプラテ ック製テ フロンシー ト)

･テフロンテー プ (厚み

0 . 1 3mm

,幅

1 3mm)

(中興化成工業製 テフロンテープ,) 2.2 作製法

1)5 0mm x5 0mm x5 0mm

の発泡 スチ ロールを面 に対 して平行 で,立方体 の中心 を 通 る ように,スチ ールカ ッター を用 いて二 つ に切 り分 けた｡ 同様 の もの を もう一組 作 った｡

2)図2に示 す ように,切 り分 けた発泡 スチ ロールの片 方 に図6に示 したネオジム磁石 A (￠8

mm x

2

mm)

が入 る切 り込み を外面 か ら0.

3mm

,切 り口面 の中心線上か つ,外面 に沿 う形で入 れた｡ もう一組 も同様 に切 り込み を入 れた｡

3)図3に示す ように,両方の切 り込み にネオジム磁石 A

( ￠8mm x2mm)

を

N

極 が向かい合 うようにはめ込み,セロハ ンテープで固定 した｡

4)

図

3

に示 す よ うに,外 面 か ら

3 . 5mm

の と ころ に ネ オ ジ ム磁 石

B

(

￠5mm x5 mm)

が入 る切 り込み を

4

箇所,側面か ら

,3mm

,

1 3mm

の位置 に入 れた｡ もう一 方 に も同様 に切 り込み を入れた｡

5)

図

3

に示す ように,切 り込み に

4

つのネオジム磁石

B

(

￠5mm x5mm)

同士が引 き合 うように入れ,セロハ ンテープで固定 した｡

6) 1)で半分 に切 った もの を重 ね,磁石 を覆 った｡図4に示す ように,下部 にテ フロン テープを貼 った｡

7)

アク リル板 を

5 0mm x1 8 0mm

を一枚,

3 0mm x1 8 0mm

を二枚 ,切 り分 け,そ れ らを図5に示す ようにアク リル接着材 で接着 した｡

8)アクリル板 と発泡スチ ロール角材 との摩擦 を小 さ くす るため,アクリル板 の内側面 と 下部 にテ フロンシー トを貼 った｡

o T 慧

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‑仁 13

■

+ ･ 震

^{5 3.}

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図2 共有結合モデル用原子核 (横 か ら見た図)

︻‖Ul

. ロ ロ

｣.口

口 .

II

一3 ‑･〜

l

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1:

1

3

=

〜

㊥ & ① ㊥

◎ 蚤 ◎ 〜 : 13 :‑

l

l l3 1l l

図3 共有結合 モデル用 原子核 (上 か ら見 た図)

50

テフロンテープ

一､ ヽl

､一､･J テフロンテープ 図4 共有結 合 モデル用原子核 (透視 図)

テフロンシー トー■ヽ

50 テフ

ロ

ンシート 図5 共有 結合 モデル用 ア ク リル レール

ネオジム磁石

:‑₊

p _{II +}

x2

5 ‑ ‑ : : + P

^{I T‑x8}

2

5

図6 共有結

合モデ

ル用ネオジム磁石

星野由雅 ･田浦正典 :大学初学者向け化学教材の開発1‑磁石を用いた共有結合モデル‑ 17

写真1 作製 した磁石 を用 いた共有結合 モデル

3.

モデル を用 いた授業実践

著者 の一 人 (星 野) は,平成 18年 10月25日 (水 ) に長崎大 学 全学教 育科 目 ｢化 学 の 基礎 (副題 :現代社会 にい きる化学)｣の授業 (履修登録 者96名 :教 育学 部3名,経済学 部 12名 ,工学 部17名 ,水 産学 部 11名 ,歯学 部5名 , 医学 部22名,薬学 部22名 ,環境 科 学部4名) において,今 回作 製 した共有結合 モ デル を用 いて講 義 を行 った｡ 当 日の受講 者 は84名 で あ った｡ 尚,受講者 は10月18日 (水 ) に既 に化 学結 合 の一 部 と して共有結 合 の解 説 を受 け てい る｡ そ こで,10月25日の授 業 で は,講 義前 に ア ンケ ー ト (資料 1)

を実施 し,講義 で は共有結合 モ デル を示 し,実際 に動 か しなが ら解 説 を行 った｡解 説 の内 容 は,原子核Bを動 か しなが ら,

｢原子核 同士 が あ る距離 よ り離 れ よう とす る と, この よ うに引力 が働き, 原子核Aが原子 核Bにつ いて きます｡今 度 は,原子核Bを原子核Aに近づ ける と, あ る距 離 か ら斥 力が支 配 的 にな り原子核Aは原子核Bに決 して接 す る こ とはあ りませ ん｡共有結合 で は, この引 力 と斥力 が ち ょう ど釣 り合 った ところに原子核 同士 が位 置 してい ます｡ また,平均結合距 離 とい うの は, この原子核 間距離 の こ とです

｡ ｣

と解説 した｡ そ して,講義終 了後 ,講義前 と全 く同 じア ンケー トを実施 し,共有結合 モデ ル を用 いた場合 の学生 の理解 に対 す る効 果 を測 った｡ その結 果 を表1に示 す｡表 中の ( ) 内 は実 数であ る｡

表1 共有結合に関するア ンケー ト設問 と回答結果

モデル提示前 モデル提示後

1. 共 有 結 合 とい う言 葉 を知 っ て い ます 1 . 共 有 結 合 とい う言 葉 を知 っ て い ます

か ? か ?

a.はい :100% (84) a.はい :100% (84)

b.

いい え l書00/o(0)

b .

いい え I;00/o(0) 2.共有結合 を 自分 で理解 してい る と思 い 2.共有結合 を 自分 で理解 してい る と思 い

ますか ? ますか ?

a.はい :39% (33) a.はい 170

%

(59) b.いい え l:13% (

l l

)

b .

いい え 】:3%(2) c.どち らともいえない l:48% (40) C.どち らともい えない I言270/o(23)

3.1つ の共 有結 合 に は,何 個 の電 子 が 関 3.1つ の共有 結 合 には,何 個 の電 子 が 関

わ つてい ますか ? わつてい ますか ?

回答 :2個 :88% (74) 回答 :2個 :98% (82) l

:2個 以外 ;120/o(10) :2個以外 l;20/o(2) 4.1つ の共有結 合 には,何 個 の原 子核 が 4.1つ の共有 結合 には,何 個 の原子核 が 関わってい ますか ? 関わってい ます か ?

回答 :2個 :90% (76) 回答 :2個 :99% (83) 1

:2個 以外 !10% (8) :2個以外 l:1% (1) 5.共有結合 にお いて,原子核 と原子核 は 5.共有結合 において,原子核 と原子核 は 接 している と思 い ますか ? 接 してい る と思 い ますか ?

a.はい :5.%(4) a.はい :0%(0)

b .

いい え l;950/o(80)

b .

いい え l;1000/o(84) 6.5で い い え と回答 した 人 に聞 きます○ 6.5で い い え と回答 した 人 に 聞 きます○

共有結合 において,原子核 同士 は, どの く 共有結合 におい て,原子核 同士 は, どの く らい の距 琴 まで近 づ い て い る と思 い ます らい の距 離 まで 近 づ い て い る と思 い ます

か ? か ?

a.接 しないが, ぎ りぎ りの距 :13% (10) a.接 しないが, ぎ りぎ りの距 :7%(6) 離 まで近づ いてい る ll 離 まで近づいてい る Il

b.適度 な影響 を及 ぼ しあ う距 l:72

%

(58) b.適度 な影響 を及 ぼ しあ う距 【:91

%

(76) 離 まで離 れてい る :_I 離 まで離 れてい る

:

_ー

C.わ ず か な影 響 を及 ぼ し合 :15% (12) C.わず か な影 響 を及 ぼ し合 :2% (2) う, ぎ りぎ りの距 離 まで離 れ : う, ぎ りぎ りの距離 まで離 れ

;

てい る : てい る :

7.共有結 合 にお いて,電子 は静止 してい 7.共有結合 において,電子 は静止 してい る と思 い ます か,動 き回 ってい る と思 い ま る と思 い ます か,動 き回 ってい る と思 い ま

す か ? すか ?

a.静止 してい る :19% (16) a.静止 してい る :10%(8) l

b.動 き回ってい る ;810/o(68) b.動 き回ってい る 】:90

%

(76)

星野由雅 ･田浦正典 :大学初学者向け化学教材の開発1‑磁石 を用いた共有結合モデル‑ 19

モデル提示前 のアンケー ト結果では,｢共有結合｣ とい う言葉 自体 は,全員が認知 して いたが,その内容 については設問2で ｢理解 している｣の学生 (39%)を上回る約半数の 学生が ｢どち らともいえない｣ とし,内容の理解 に自信が ない ことを示 していた｡実際, 設 問5の共有結合 において原子核 同士 が接 してい る と した学生 (5%)がいた｡ また,

｢いいえ

｣

と回答 した学生の中に も,詳 しく原子核 同士の距離 を尋ねた設問

6

では,｢a.接 しないが, ぎりぎりの距離 まで近づいている｣や ｢C.わずかな影響 を及ぼ し合 う, ぎりぎ りの距離 まで離 れてい る｣ の ような不適切 な表現 を選 んだ学生が合 わせ て28%もいた｡

設問7の ｢共有結合 において,電子は静止 していると思い ますか,動 き回っていると思い ますか ?

｣

では,約20%近 くの学生が ｢静止 している｣ と回答 していた｡

モデル提示後のアンケー ト結果では,ほぼ全ての設問について,ポイントが改善 している ことがわかる｡ 特 に設問2では,共有結合 を自分で理解 していると回答 した学生が70%に な り,モデルによる解説 により理解 に自信が出て きたことが伺 える｡モデル提示前 には,読 問5で原子核 同士が接 しているとした学生 (5%)がいたが,モデル提示後は,原子核 同士 が接 しているとした学生はいなかった｡また,設問6の原子核同士の距離 に関する問いでは, モデル提示前には

,

｢b.適度な影響 を及ぼ しあう距離 まで離れている｣ を選んだ学生 は72%

に過 ぎなかったが,モデル提示後 は9割の学生が選び,モデルを提示 した効果が よく表れて いた｡ しか し,設問7の電子の動 きに関す る問いでは,モデル提示後 も10%の学生が,電 子が静止 していると回答 している｡ モデルを提示 した際に電子の動 きについて,解説 をしな かったためと考えられる｡今後は,電子の動 きについても明確 に解説する必要がある｡

4.

まとめ

共有結合 における原子核 同士の関係 を "体感で きる"新 しいモデルを磁石 を用いて作製 した｡当初,引力 と斥力 とを同 じ空間に作 り出すのは,困難であると考 えていたが,小 さ くて も磁力の強いネオジム磁石 を巧妙 に配置することで, 目的のモデルを作製で きた｡ こ のモデルは,化学結合の一種である共有結合の理解 を助 ける目的で,大学の初学者向けに 作製 した｡授業での実践 の結果,確 かにモデルを提示 して解説す ると学生 の共有結合 に対 す る理解 は深 まることがわかった｡ また,授業終了後,何 人かの学生が,モデルを実際に 動か してみたい と申 し出て きた｡2つの発泡スチ ロール間には何 もないに もかかわ らず, 引力や斥力が働 く様 は,大学生 レベルで も一見 "不思議" と思わす ことがで きたようであ る｡ この ような教材 は,化学分野だけでな く,物理学分野で も利用可能であろう｡ 特 に, 学習者 の興味 を大い に引 き付 ける必要が ある小学生 には有効である と考 え られる｡ 例 え

ば,小学校3年生で学習す る磁石の導入授業の教材 としての活用 などが考 えられる｡

注釈および参考文献

1)例 えば,科学技術振興機構 (∫ST)が運営する,科学技術 ･理科教育のためのデジ タル教材提供 システム ｢理科 ネ ッ トワーク｣の ｢三次元画像理科教材集｣

,

｢有機分子 モデルデー タベース 3Dで 自由自在 に見 る世界｣ な どがある｡

2)Ant ho ny

J.Merer:｢光か ら学ぶ知一分光学 の歩み｣平成

1 6

年度放送大学特別講義.

3)例 えば,斎藤 芙 :｢は じめて学ぶ大学の物理化学｣p137,化学同人,1997年.

4)(社) 日本化学会 :｢DIDAC一化学 の手引 き‑｣p393の図を一部改変.

資料 1 化学結合の理解に関するアンケー ト

次の設問に回答 して下 さい｡選択す る場合 は,該当す る選択肢 を○で囲んで くだ さい｡

用語や数値 を要求 されている場合 は, ( )内に記入 して下 さい｡

1.共有結合 とい う言葉 を知 ってい ますか ?

a.はい b.いいえ

2.共有結合 を自分で理解 している と思いますか ?

a.はい b.いいえ C.どち らともいえない

3.1つの共有結合 には,何個の電子が関わっていますか ?

)個

4.1つの共有結合 には,何個の原子核が関わってい ますか ?

)個

5.共有結合 において,原子核 と原子核 は接 していると思いますか ?

a.はい b.いいえ

6. 5でいいえと回答 した人 に聞 きます｡共有結合 において,原子核 同士 は, どの くらい の距離 まで近づいていると思いますか ?

a.接 しないが, ぎ りぎりの距離 まで近づいている b.適度 な影響 を及ぼ しあ う距離 まで離れている

C.わずかな影響 を及 ぼ し合 う, ぎりぎりの距離 まで離れている

7.共有結合 において,電子 は静止 していると思いますか,動 き回っていると思いますか ?

a.静止 している b.動 き回っている

8.電子が静止 しているとした ら,あるいは動 き回っているとした ら,何処だ と思います か ?