森 下 浩 史＊
（昭和57年10月31日受理）
A Study on the Relationship between the Volume and the
Temperature of Gas in Science Education Hirofumi MORISHITA
（Received Oct．31，1982）
1 はじめに
物質概念を形成させる過程では，我々の周囲にある自然および生活環境を広く観察させ ることが大切である。これ等の観察の中から，個々のそれぞれの事象について，統一的に 理解していこうとする態度を育成しなければならない。物質には多種多様のものがある。
それらの持つそれぞれの個別的な性質と共に，共通に持っている性質を理解させることが，
物質にたいする認識を深めることにつながると考える1）。
精力的に現場の実践教育に当っておられる教師の方々から，「気体に関する学習の展開は
謡讐認編難1濃欝翻覆㌶籠瓠盤欝膿灘
ついては，直接「重さ」を測定することの困難1生があることや，透明である上に不定形で あって，しかも，指での接触感が乏しいことから，気態の物体はものであるという認識が なかなか定着し難いのであろう。多くの気体やその性質を観察させ，正しい認識を得させ る必要がある。物質の視覚的な巨視的現象の観察を通して，微視的な粒子観で統一的に物 質を認識させるためには，気体についての正しい認識が必要である。気体については，ま ず我々の身近にある空気の存在に気づかせ，固体や液体と同様に，「体積」と「重さ」を持 ち，しかも，その密度は非常に小さいことを確認させる必要がある。
空気は温度によってその体積を変化させる。この学習項目については，小学校学習指導 要領では小学4年で取り扱うことになっている。それらの関係はシャルルの法則としてよ
く知られているものだが，空気以外の気体でもその関係を定量的に，かつ簡単に示してく れる実験を検討してみた。この実験結果についても併せて報告する。
＊長崎大学教育学部理科教室
長崎大学教育学部教科教育学研究報告 第6号
II 理科学習指導要領における気体の取扱にっいて
新しい学習指導要領尉では，旧学習指導要領で掲げられていた教育目的「観察や実験な どを通して，自然を調べる能力と態度を養わせること」を継続させながら，「ゆとりのある 教育」を実現させるために，学習内容の統合と大幅な削減がなされている。物質について の学習内容では，物質そのものについての知識を得させる学習4）が少なくなった（例えば，
金属の観察に関する学習内容が少ない。）ことと，物質における一つの状態である気体につ いて，系統的に学習を展開させることが難しくなっていることを指摘することができよう。
物質そのものについての知識が不足していることについては前報1）で述べた。ここでは，気 体の学習内容について，学習指導要領ではどのように取り扱うようになっているのか論じ
ることにする。次にその主な内容を示した。
小学1年 風によって物が動くことに気づかせる 小学2年空気の存在に気づかせる
小学3年空気には弾性がある
風の強さによって物を動かす働きに違いがある 小学4年 空気の体積は温度によって変化する
小学5年 燃焼時の空気の変化と働きを理解させる 酸素や二酸化炭素の合成とその性質 小学6年 気体が燃えるとき炎ができる
中学1年物質と反応
i）物質の様子，種々の気体の性質
ii）加熱と燃焼，加熱による乗理変化・化学変化
hi）気体を発生する化学変化，気体（酸素，二酸化炭素，水素，アンモニ ア）の重さと化学的性質
中学2年物質と原子
i）純物質と混合物
ii）化学反応，質量保存の法則の検証
iii）原子と分子，粒子モデルによる化学反応（酸化・還元）の理解 上に揚げた学習内容を大きく見てみると，小学校段階では我々の身近にある空気を教材
として取り上げ，気体についての学習を展開させ，中学校段階では化学反応を取り扱う中 で，各々の気体について製法や性質を学習させるように，教材配列がなされている。
小学校低学年段階では，空気について空気もものであるということを，多方面より探究 させるようになされている。ものの一般的な属性としては，「体積」と「重さ」を持ってい ることとして定義される。その属性の一つである「体積」を，空気が持っていることに気 づかせるべく，教材の取扱に配慮がなされている。（この段階において，もう一つの属性「重 さ」について探究させることは適当でない。）空気は無味・無臭・透明である上，指による 接触感がないので，その存在を認めさせ難い。指導要領ではまず風の働きに注目させてい る。次に空気を水上にとったり，水の中での様子を観察させたりして，空気の存在に気づ かせるようになっている。この空気の存在に気づかせるために，「体積」が武器になる。さ
らにその「体積」に関連の深い項目，空気の弾性および温度による体積変化，について学
習させることで，空気についての認識を深めようとしている。また，これらの学習項目は すべての気体が持つ性質であることから，気体の学習への手がかりを与えている。空気に はものとしての「体積」を持つという理解が，気体についての学習の基礎にあるものと考 えられる。
小学校高学年では，空気中における物質の燃焼現象の観察から，空気の働きや炎の構造 について学習させるようになっている。すなわち，ろうそくやスルコールが燃える場合，
空気中の酸素が消費されるのと同時に，二酸化炭素が生成することを確かめ，その様子を 炎の観察から考察させるものである。ここでは空気や酸素部よび二酸化炭素の個々の性質 と，燃える気体の共通的な性質として，燃焼するときには炎ができることに気づかせよう としている。しかし，酸素や二酸化炭素などの気体について，ものとしての認識が子供達 にあるのだろうか疑問に思われる。燃焼現象という物質の化学変化を重視しているために，
空気や気体そのものの性質についての学習内容は少ない。
中学校段階での気体の取扱では，空気中での燃焼現象は，物質が酸素と結びつくことで あるとして，小学校高学年で取り扱った学習内容をまとめている。また，気体（酸素，二 酸化炭素，水素，アンモニア等）の重さと化学的性質について学習させながら，反応にお ける諸法則を導入している。この段階でも，化学反応における物質の変化に探究の主眼を 置いている。気体の重さと化学変化を学習させる箇所では，気体についての個別性と共通 性とを相互に関連づけて，気体をものとして認識させようとしている。しかし，気体の共 通性として理解され易いのは，「重さ」よりも「体積」であることから，小学校低学年で空 気の取扱と同じく，まずは気体の属性としての「体積」を正しく理解させる必要があるの ではないかと考える。固体や液体と同様に，気体も「体積」と「重さ」を有するものであ ると正しく認識されるならば，化学反応における物質の変化の追求のし方にもさらに具体 性が増すにちがいない。これはまた，粒子モデルによる微視的物質観の育成にも 大いに有 用なものになる。質量保存の法則の説明として，原子や分子のモデルで酸化・還元反応を 理解させる箇所は，微視的な物質観を育てる教材として重要である。燃焼の現象を酸化反 応として，化学反応の一つの基本的な反応の概念で認識させっつ，微視的な粒子モデルで その現象を理解させることによって，酸素の気体としての共通性や個別性について，子供 達の認識はより容易に得られるものと考えられる。
皿 気体の学習について
現行の学習指導要領では，気体について我々の身近にある空気や燃焼現象を教材の中心 に置いた学習の展開がなされるように配慮されている。子供達の経験や興味を重視した学 習内容となっており，子供達の積極的な行動を通して，自然や生活環境の主観的な見方が 助長されるであろう。ただ，気体はその性質により固体や液体と異なって，ものとしての 実体感を把ませ難いという理由で，子供達に気体についての正しい認識を得させるための 障害になっていると考えられる。そこで，固体や液体と同じく，気体もものであるという 認識を定着させるために，気体についての学習を系統的に行わせる必要がある。子供達に 気体に接する機会を多く与奥瓜種女の気体を観察させたり，合成させたりすることによ2，
て，それぞれの気体が持？1個別的な性質を理解させながら，気体一般の持っ共通的な性質
長崎大学教育学部教科教育学研究報告 第6号
についても認識を深めることが大切である。子供達はこれらのことを通じて，気体をもの として見るようになり，統一的な物質観が育成されるものと考える。
（1）空気にっいて
我々の身近にある空気を，気体の学習についての教材として取り上げ，空気について多 くの体験を積ませることが，気体の学習の第一歩であろう。そして，空気はものであり，
気体もものであるということに気づかせねばならない。
空気がものであることについての小学校学習指導要領における取扱は，極めて妥当であ ると考える。無色・無臭そして重さも体積も無いようにみえる空気には，風の働きの観察
（小学1年・小学3年）や，容器中や水中での空気の観察（小学2年）から，目には見え ないが体積をもったものがあることに気づかせるように工夫している。ここではコップや
ビニール袋だけでなく，いろいろな容器に空気をとって，それを十分観察させた上で，水 との類似性に注目させて欲しい。つまり，その形を容器によって自由に変えることができ ること，そしてその容積の増減を自由に変えることができること，について観察させるべ きである。これらのことを観察させるために，図1に示した実験装置を考案した。空気を 入れたコップを水槽中に保ち，コップ中の空気相にかん腸器から出た管を図のように差し 込んでおくと，かん腸器にとった空気をその管を通して自由にコップの方に移したり，逆 にコップ中の空気をかん腸器内に移したりすることができる。その管をコップ中の空気相 より下方の水中に下げた場合には，かん腸器中の空気は一度水中で泡となった後，コップ 中の空気相の空気と一緒になって，その容積を増加することも観察できる。また，かん腸 器に水をとって図1のようにセットし，コップ中の空気相中に水を放出させても，コップ
中の空気の容積には変化の無いことを観察することができる。この実験では，空気の存在 を空気の体積で確認しているわけで，空気の容積の増減の観察から，体積を持ったものと して空気を認識させるためには，その量が基準となるため，空気をとる容器に目盛を入れ ておくことを忘れてはならない。空気についての弾性（小学一3年）や，温度による体積変 化（小学4年）の観察では，空気の属性として有する「体積」に関連の深い性質について の学習を展開させることによって，空気をものとして見ていこうとする態度を養わせるこ
とができる。これらの性質についての学習は，量的に体積を見せていこうとするものであ り，量的な取扱によってものを探究させていく方法を確実に身に付けさせることは大切で ある。空気についての「体積」を認識できるようになれば，固体や液体の体積とのかかわ りから，さらに気体についての認識は深まるものと考えられる。つまり，固体・液体・気 体は共に体積を持っているが，その体積の弾性や温度による
●● かん腸器 変化は異なっている。これらのものについての共通性と，そ
れぞれの状態での性質を理解させることは，子供達にものに ついて探究していこうとする態度を養うであろう。また，も のは「体積」のほか「重さ」という属性を持つが，体積につ いての概念が認識されるならば，ものについて「重さ」を中 心にした探究の方法もスムーズに受け入れられるにちがいな
いo
小学校学習指導要領では，固体の物体を物として取り扱っ 図1 実験装置
コツプ
水そう
ており，固体についての「重さ」の学習は低学年で行うようになっている。空気について の「重さ」の学習は，二酸化炭素の重さとの比較（小学5年）の教材に関連があるだけで，
そこではそれ自身の「重さ」を問題として取り上げているものではない。空気の「重さ」
について，簡単にそのことを確かめさせることができる教材研究の報告5）がある。空気の属 性については，「重さ」よりも「体積」の認識が得易いことから，「体積」についての学習 が展開されるべきである。しかし，各種の気体の学習では「重さ」を中心にした学習の探 究方法がとられるべきである。特に，酸素から二酸化炭素に変化するなど，ものの質の変 化を追求させる学習では，「重さ」を武器にした探究学習を展開する必要がある。そこで，
空気にも固体や液体と同じように「重さ」があることに気づかせ，密度の概念を導入する 必要がある。圧入法5）による空気の体積と重さの測定は，この学習において是非実施させる べき実験である。
気体の学習について学習指導要領では，小学5年の物の燃焼時における化学変化の中で，
酸素と二酸化炭素の気体に気づかせるようになっている。確かに，閉鎖系中でのろうそく やアルコールを燃焼させた後の気体に石灰水を入れると，その石灰水が白濁する現象を観 察させることはできるが，直接気体が関与した現象の説明は理解させ難い。この一連の化 学変化による物質の追求の中で，酸素と二酸化炭素についての学習を展開させることは，
子供達にとって大変複雑な学習内容になっていると考えられる。燃焼現象は日頃よく観察 される現象でもあり，物質の化学変化を取り扱う代表的な現象でもあることから，教材と して大変重要であり，子供達がこの現象を正しく説明できるように学習させなければなら ない。しかしながら，燃焼というものの質的変化を伴う現象の探究には，空気や酸素はど のような働きをしているのか，燃料はどのような変化をするのか，二酸化炭素はどのよう にして生成するのかなど，子供達にとって難しいと思われる内容が多数ある。またその前 に，酸素や二酸化炭素の気体について，ものとしての認識を深めておくためには，それら の気体の個別的な性質と同時に，気体としての共通性の認識が必要である。
燃焼現象を探究させるに当り，複雑な反応系の学習は避けて，簡単な反応系での燃焼を 観察させることは重要な点である。簡単な反応系として，酸素中における炭の燃焼により，
二酸化炭素を生成させる系が適当と思う。この系について，物質の変化を調べさせるのに 適した装置を考えてみた。図2にその実験装置を示した。ふたの付いた空ビンの底を切り 落し，空気漏れが無いようにビニール袋を図のようにはめた。ふたにはゴム栓をはめるた めに穴を開けた。ゴム栓には，はり金でつるした燃焼皿を取り付けた。また，かん腸器の 口を挿入するための穴を開けておいた。この燃焼容器に酸素を満たし，燃焼皿の上に点火 した炭を置き，穴の開いたゴム栓にはさらに小さなゴム栓を施
ゴム栓 して図のようにセットする。燃焼終了後しばら，くして，小さな
ゴム栓を取り除き，その穴からかん腸器を差し込んで，その中 に燃焼後の気体をとる。その気体について，かん腸器の中で弾 性を調べることもできるし，温度による体積変化も調べること ができる。その気体の「重さ」は，空のマヨネーズの容器に一 杯詰め込んで測定することができる。また，「重さ」の測定から 密度を求めることができる。これらの気体に共通した性質と，
密度という物質に特有の値や気体の化学的性質の調査を，燃焼
ガラスビン
はり金 炭
燃焼皿 ビニール袋
図2 実験装置
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の学習に取りかかる前に優先させるべきであろう。そして，これらの簡単な燃焼反応系の 反応を基礎に置いて，次第に複雑な燃焼についても理解させるように配慮する必要がある
と考える。
（2）気体について
酸素や二酸化炭素のほかにも，多くの気体を観察させることが大切である。室温で気体
（酸素，二酸化炭素，水素，アンモニア等）である気体の発生実験を通して，気体の観察 を十分にさせ，気体の個々の化学的性質を理解させることが，気体の学習の第一歩である。
次に，気体に共通した性質の学習が大切である。ものとしての「体積」と「重さ」に関連 して，それぞれの気体の密度を求めさせる必要がある。また，室温で固態や液態の状態で ある物質の気態の密度を求めさせる必要がある。この密度の測定は，物質の状態変化と密 接なかかわりがあり，また，物質を微視的に理解させるために必要な粒子モデルの形成に 無くてはならぬものである。密度の測定は，空のマヨネーズの容器の中へ気体を詰め込み，
その重さ＊を測定することと，マヨネーズ容器の体積を測定することにより求められる。メ タノールなどの室温で液態の物質の気態の密度測定は，マヨネーズ容器のキャップに小さ な穴を開け，容器に5m2ほどのメタノールを入れる。容器全体を熱湯などで加熱し，容器 内のメタノールを蒸発させる。丁度，液態のメタノールが無くなったところが，容器全体 に気態のメタノールが充満した状態である。しばらく冷えるのを待って重さを測定するこ とにより，メタノールなどの気体の密度を求めることができる。これらの密度から，気体 の共通性と固有性が確かめられると考える。気体についてものとしての認識が深められた ところで，空気の化学的および物理的性質を調べるならば混合気体としての空気の働きや，
化学的にはあまり活発でない窒素の性質や働きについても理解させることができる。空気 や気体の物理変化を調べる教材としては，小学校低学年でも取り扱った温度による体積変 化もその一つとして揚げることができる。気体の学習については，空気から気体，気体か ら空気というステップを踏ませることが，子供達に気体についての認識を深めさせること になるものと考える。
IV 気体の体積と温度の関係の検証 （1〉空気の体積と温度6）
・大型試験管（直径4．80cm，長さ50．80cm）の中に，片方の口が 閉じられたガラス細管（直径0．13cm，長さ60．50cm）と温度計お よびかく絆棒を図3に示したように設置した。乾燥させたガラ ス細管の中に水銀を入れ，その水銀の栓で閉じられたガラス細 管中の空気の体積を，温度変化により求められるようにしたも のである。ガラス細管中の空気の体積は，そのガラス細管の底 から水銀栓までの高さを温度計目盛の観測から求め，その高さ と断面積から求めた。温度は5。0，20．0，35．0，50．0，65．0，80．0。C
水銀↓ 大水 ガラス細管 ↓ かく絆棒 大型試験管
図3 実験装置
＊この値は空気の浮力を含んでいる。
の各温度で測定した。各測定温度に近い温度の水を12用のビーカーに用意しておき，大 型試験管内の水を入れ替える方法をとれば，短時間でこれらの実験を行うことができる。
その結果を，表1・1，1・2，1・3および図4・1，4・2，4・3に示した。それ
ぞれの圧力の下で，体積と温度は比例関係を示した。
x10一君㎡v
6．o （766。3㎜Hg）
5．o4．03︒0
20
1020304050607080900C 図4・1気体の体積と温度 t
表1・1 空気の体積と温度（766．3㎜Hg）
×10−1㎡
6．O
V
5．04︑0
30
2．0
（788．7㎜Hg）
102030405060708090℃
図4・2 空気の体積と温度 t
。C h cm ∂c㎡ h cm ∂㎡ h cm 〃㎝3
5．0
13．60
0，180 22．00 0，29233．40
0，443 20．014．45
0，19223．30
0，30935．40
0，470 35．015．25
0，202 24．65 0，32737．35
0，496 50．016．00
0，212 25．90 0，344 39．300，521
65．016．80
0，223 27．15 0，360 41．25 0，547 80．017．60
0，234 28．45 0，37743．15
0，572表1・2 空気の体積と温度（788．7㎜Hg）
×10−1㎡ v
60
50 40 30
2．0
（835．4mmHg）
102030405060708090。C 図4・3 空気の体積と温度 t
！。C h cm ∂cm3 h cm ∂c㎡ h cm ∂c㎡
5．0
13．70
0，182 20．85 0，277 32．10 0，426 20．014．60
0，194 22．20 0，295 34．00 0，451 35．0 15．45 0，205 23．40 0，310 35．70 0，474 50．016．25
0，216 24．65 0，327 37．70 0，500 65．0 17．05 0，226 25．85 0，343 39．60 0，525 80．0 17．85 0，237 27．10 0，360 41．50 0，551表1・3 空気の体積と温度（835．4㎜Hg）
渉OC h cm ∂㎝3 h cm ∂㎝3 h cm ∂c㎡
5．0
13．40
0，178 18．70 0，248 24．25 0，322 20．0 14．40 0，191 19．90 0，264 25．75 0，342 35．0 15．15 0，201 20．90 0，277 27．10 0，360 50．015．90
0，211 22．05 0，293 28．50 0，378 65．0 16．70 0，222 23．10 0，306 29．95 0，397 80．0 17．50 0，232 24．10 0，320 31．35 0，416（2）気体の体積と温度
長崎大学教育学部教科教育学研究報告 第6号
両端の口が開いたガラス細管を用い た。そのガラス細管に目的の気体を通 じながら，片方の口を水銀層の，中に入 れる。ただちに他方の上になった管口 にゴム栓で作ったキャップをする。こ のガラス細管の側壁の一部をバーナー で熱し，しばらく放置して冷やすと，
管中の気体の収縮により水銀が管中へ と上昇するので，適当な水銀の量を管 中にとることができる（図5）。気体 は，窒素，酸素，
二酸化炭素，dry 表2
air（YAMATAKE
KEISO，air dryer 使用）について，
それらの気体の体 積と温度の関係を 求めた。実験方法 は（1）の場合と同 じ様に行った。そ の結果を表2およ
水銀
ガラス細管
ゴム栓
図5 体積測定用 ガラス細管
気体の体積と温度
02 （766，2㎜Hg）一一一
x10−L㎡ N2 （768。4㎜Hg）一一一 6，0 CO2 （766．3㎜Hg）一一一
dryair（766．5皿Hg）一 5，0
4︒03．02．0 ニメ
づ
ぞ多﹃
102G304050607G8090。C 図6 空気の体積と温度 t
02（766．2㎜Hg）
N2（768．4㎜Hg） CO2（766．3㎜Hg） dry air（766．5㎜Hg）！．C h cm ∂㎝3 h cm ∂㎝3 h cm ∂㎝3 h cm ∂c㎡
5．0 25．35 0，336 22．30 0，296 20．30 0，269 30．50 0，405 20．0 26．85 0，356 23．70 0，314 21．65 0，287 32．25 0，428 35．0 28．25 0，375 24．95 0，331 22．80 0，302 33．95 0，450 50．0 29．70 0，394 26．15 0，347 24．00 0，318 35．60 0，472 65．0 31．05 0，412 27．45 0，364 25．20 0，334 37．35 0，496 80．0 32．45 0，430 28．70 0，381
26．30
0，349 39．05 0，518び図6に示した。図に示されるように，それぞれの気体の体積と温度は比例関係を示した。
V おわりに
物質についての認識不足が叫ばれている折，気体についての学習でも，ものとしての気 体の認識の欠如は大問題である。ものの属性である「体積」と「重さ」に注目した学習の コ ゆ展開が必要である。物の燃焼による質の変化の観察は，ものの学習としては難しい教材と されているが，現象のみの観察に終らせることなく，ものの持つ個別性と共通性の両面の 性質を統合した認識の上に立って，物質の追求がなされるならば，より具体的に実体感を 持って，この現象の統一的な理解が得られるにちがいない。
気体の学習についての学習指導要領の取扱において，優れた箇所や改良すべき箇所につ いても言及したが，小学6年で行われる炎の観察学習は，気体をものとして探究させるそ の取扱に混乱を生じさせているのではないかとの危惧の念を抱く。そこでは，物が炎を上 げて燃える様子を調べ，炎は気体が燃えるどきにできることを理解させる。ア）炎は，部 分によって色，明るさ及び温度に違いがあること。イ）炎は，気体が燃えるときにできる
こと。ウ）木片を空気の入れ替わらないところで熱すると，燃える気体などが出て，後に 木炭が残ること。という学習内容があげられている。燃焼の現象における物質の追求が大 変難しいことは本文中でも述べた通りである。ものについての認識ができるようになって，
質の変化の追求もできるようになるのであって，ア），イ）の炎の学習内容を，ものの探究
として学習展開ができるのか疑問である。炎についての注意深い観察により，炎の構造と 燃料の変化や空気のかかわりに気づかせることはできであろう。しかし，その学習内容が，
燃焼現象の探究，燃料の状態変化，燃料の熱分解，炎の構造など多岐に渡るため，気体を ものとして認識させていく一連の探究学習の展開は難しいと考えられる。なお，ウ）の木 炭のできることの項目については，燃焼学習の初期（小学5年）で実施すべき内容である
と考える。
気体については，多くの気体を観察させることが大切である。ものとして持つ共通の性 質，気体として持つ共通の性質，それぞれの気体が持つ個有な性質について，系統立った 認識が得られる学習がなされなければならない。このような気体についての取扱から，混 の
合物である空気の知識が得られるのであって，空気をものとして把えることができるよう になるものと考えられる。
参考文献
1）森下浩史，長崎大学教育学部教科教育学研究報告，第5号，P．65，1982 2）文部省，小学校学習指導要領理科編
3）文部省，中学校学習指導要領理科編
4）東京教育大学附属小学校初等教育研究会編，理科基礎能力と授業構造，P．21，1971 5）日本教職員組合編，理科教育，P．96，1974，一ツ橋書房
6）G．G．Hess and Uno Kask，Experimental General Chemistry，p．79，1970，Bames＆Noble，Inc．
