金属の溶解を小・中学校で教えるための基礎的研究

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(1)Title. 金属の溶解を小・中学校で教えるための基礎的研究. Author(s). 榊原, 郁子. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 35(1) : 61-71. Issue Date. 1984-09. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6102. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道教育大学紀要（第２部Ａ）第３５巻第１号ｌｏｆＨｏｋｋａｉｄｏＵｎｉｉｉｌＳｅｉｊｏｕｒｎａｔｔＩＡ）Ｖｏｖｅｒｓｏｎ（ｃｏｎｌｙｏｆＥｄｕｃａｔ．３５．Ｉ，Ｎｏ. 昭和５９年９月Ｓｅｐｔｅｍｂｅ８４ｒ，１９. 金属の溶解を小 ◎ 中学校で教えるための基礎的研究. 榊. 原. 郁. 子. 北海道教育大学岩見沢分校化学教室. ｌａｂｕｓｉｏｎｏｆハ／ｌｅｔａｌＴｈｅＤｉｓｓｏｌｌｕｔｓｉｎｔｈｅＳｃｈｏｏＩＳｙｌｌｋｕｋｏＳＡＫＡＫＩＢＡＲＡｉｉｉ１Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｉ１１ｄｏＵｎｉＣｈｅｔｙｏｆＥｄｕｃａｔｏｎｅｇｅｒ．・ｒｎｚａｗａｃｏｖｅｒｓｃａ，，Ｈ０ｋｋａｉ，．ｗａｌｗａｍｉｚａｗａ０６８. Ａｂｓｔｒａｃｔ. １．ｎｔｈｉｎｖ０ｎｇｒｅｃａｔｉ０ｎＳｂｅｔｗｅｅｎｖａｒｉ０ｕＳｖｉｓａｒｔｉＣ１ｅ，ｗｅｒｅｐ○ｒｔｓｏｍｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ１ｒｅＳｕ１ｔＳｉｄａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｎｐｅｒｏｘｉｄｅｉｉｔｈａｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｓａｎｄａｍｉｃａｃｘｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒｏｃｈｌｏｒ，ｗｉｌｉｏｒｈｉｇｈｓｃｈｏｏｌａｂｕｓｉｎｅｌｅｍｅｎｔａｗａｎｄｊｕｎｉｉｇｎｉｆｉｓｔｓｓｃａｎｃｅａｓｐａｒｔｏｆｔｈｅｃｈｅｍｉｓｔｒｙｓｙｌ．ｌｏｙｓｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＴｈｅｍｉｘｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎｄｉｓｓｏｌｖｅｓｎｏｔｏｎｌｙａｌｕｍｉｎｉｍｍ，ｉｒｏｎａｎｄｃｏｐｐｅｒｂｕｔａｌｄｉｌｙｖｅｒｙｅｆｆｅｃｉｖｅａｓａｍｅａｎｓｏｆｔｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｔｈｅｓｅｍｅｔａｌｔｓｓｐｅｄａｇｏｇｉｃａｌ，ａｎｔｓｕｓｅｉ. ｏｆｍｅｔａｌｓ．ｌｓｙｌｌａｂｕｓ１ｋｕｋｏＳａｋａｋｉｂａｒａｉｏｎｏｆｍｅｔａｌｓｉＴｈｅｄｉｎｔｈｅｓｃｈｏｏｓｓｏｌｕｔ，. ＳＩ．序. 論. 初歩の化学教育の中で，金属と酸の反応をとり上げることの重要性は広く認められているが，金属と酸の反応を授業の中で具体化するという面では十分といえないのが現状である．その原因の１つとして，金属の種類によって金属を溶かす酸の種類が異なるという問題がある．現行の小・中学校の教科書でとり上げられている金属と酸の反応が，個別的な反応に限られているのもその為であろう．金属と酸の反応についての授業プランは，金属と酸の反応に共通する基本的な現象をはじめにとり上げることが望ましく，金属のイオン化傾向の大小とか，酸の強弱等に深入りせずにすませたいと思う．著者は，いろいろな金属を，塩酸と過酸化水素の混合溶液で溶かすことにより，「金属という一群の物質が，溶けて透明な水溶液になる」という共通の現象を示すことを教えられると考え，）を作成した「金属が溶けて透明な水溶液になる」という現象は実体的には，一つの授業書案１，，．すべての金属について「原子が電子を失って陽イオンになる」という共通した変化を反映している）（１６.

(3) . ６２. 榊. 原. 郁. 子. ものであり，最も基本的な化学変化の１つである．本稿では，上記授業書案作成のために行った金属を塩酸と過酸化水素の混合溶液にとかす基礎的実験を中心に報告する．実践授業の記録，実践により明らかになったこと等については続報に譲ることにする．. Ｓ２．塩酸と過酸化水素混合溶液に含まれる成分. 十塩酸（ＨＣＩ）は，水素イオン（Ｈ十，厳密にいうとオキソニウムイオンＨ３０であるが，水素イオ－Ｉ）に電離している．ンということにする）と塩化物イオン（Ｃ過酸化水素（Ｈ２０）は，塩酸とまぜると酸素（０）と水への分解がはじまる．２Ｈ２０２÷ → ２Ｈ２０十０２. 金属を加えると，過酸化水素の分解は促進されるが，比較的ゆるやかな反応で，金属がとげ終っても，酸素の気体が発生しつづける．塩酸と過酸化水素は，次の反応式で示すように反応して塩素（Ｃ１）を生じる．２２ＨＣＩ十Ｈ２０２÷ → Ｃ１２十２Ｈ２０. 塩酸と過酸化水素が薄くて，温度が低い場合には，塩素の生成は極くわずかなものと推定されるが，濃度が高く，温度も上昇すると，塩素の刺激臭がはっきりと感じられるようになる．塩素の溶解による次亜塩素酸（ＨＣＩＯ）等，上記成分以外のものが存在する可能性もあるが，主要なものは，水素イオン，塩化物イオン，過酸化水素分子，酸素分子，塩素分子の５成分であろう．この中で，金属を酸化する（電子をとる）ものは，水素イオン，過酸化水素分子，酸素分子，塩素分子の４成分である．イオン化傾向が水素より大きい金属では主に水素イオンが，小さい金属では，水素イオン以外のものが金属の原子から電子を受けとる．. Ｓ３．金属と酸の反応初歩の化学教育で金属をとり上げる際，金属として何を使うかが問題となる．化学的立場からは，ナトリウムやカルシウム等の金属が重要と考えられるが，これらの金属は日常的感覚では金属と考えにくい．学ぶ側が日常経験を通して良く知っている金属をとり上げる必要があるだろう．一般に金属という場合，純金属のみでなく合金も含まれている．純金属と合金の違いを学ぶまでは，金属として純金属に限ることは不自然で納得を得られないだろう．以上の考えに基づき，次のような金属をとり上げた．純金属：鉄，アルミニウム，銅，ニッケル，銀，スズ，鉛，亜鉛，マグネシウム，金合金：ステンレス，黄銅，白銅，青銅，洋銀，ニクロム，磁石鋼金属を溶かすのによく使われる酸は，硝酸，硫酸，塩酸である．他の酸に比べると金属を溶かす作用の強い酸であるが，いずれも単独では，上に記した金属のすべてを溶かすことはできない．表１に，上記三種の酸に対する金属の溶解の難易を示した．教科書により難易の記載が異なるものもあるが’ 一応の目安はつけられる．表１によると，塩酸には，イオン化傾向が水素より小さい銅，銀等の他に，ニッケル，鉛も溶け云まし・. （）６２.

(4) . 金属の溶解を教材化するための基礎的研究. 表１. 金属の酸に対する溶解性. 冷難溶熱可溶. マグネシウムアルミニウム亜. 空欄は溶. 稀塩酸濃塩酸稀硫酸濃硫酸稀硝酸濃硝酸. 素. 元. ６３. 執. 溶難. 溶. 溶溶溶溶不. 難. 溶. 溶不. 溶. 鉛. 鉄ニッケノレズス. 鉛銅銀金. 難熱. 溶溶. 不不不不. 溶溶溶溶. 温執不不不. 浴溶溶溶溶. 難熱. 溶溶. 不不難不. 溶溶溶溶. 執軌軌不. 浅野三千三他著『化学実験法－その入門から－』（南山堂，昭和２７年）５５頁より. 硫酸は薄いものを加熱しないで使うとしたら，アルミニウム，ニッケル，鉛，銅，銀，金が溶けナし、。. 硝酸は薄いものを加熱しないで使う場合，表１にあげた金属でとげないものは，アルミニウムと金のみである。塩酸，硫酸に比べると，とかせない金属の種類は少いがステンレスが溶け難いという問題がある。ステンレスは日常品の中で最も広く利用されている合金であり，子ども達にもっともなじみの深い金属である。また，クロムも硝酸にとげないので，クロムメッキされた金属製品も硝酸に溶け難い．濃硫酸を熱すれば，金以外の金属はとげるが，熱濃硫酸の使用は，小ｏ中学校でさけたいものである。. また，金属と酸の反応については，金属の表面に生じる不働態と呼ばれる，酸に浸されにくい酸化物の被膜の問題がある。アルミニウム，鉄，ニッケル，クロムに生じやすく，濃硫酸や，濃硝酸につけると不働態が出来る場合がある。. Ｓ４。塩酸と過酸化水素混合溶液による金属の溶解反応－種類の酸でアルミニウム，鉄（ステンレスを含む），銅（銅の合金も含む）をすべて溶かせるものがないことを，３節で示した。初歩の段階でいくつかの金属を溶かすのに，酸の種類を適官選ばなければならないというのは，非常に煩雑である。ところが，塩酸に過酸化水素を加えると，アルミニウム，鉄，銅いずれも容易に溶けることがわかった。他の金属についても調べた結果を以下報告する。３５％）と水を１：３７％）と過酸化水素水（金属片を数分以内で，全て溶かすためには，濃塩酸（１：１程度の比で混ぜ合わせる必要がある。これは，使用直前に混ぜ合わせる。金属の溶解反応は熱を発生するので，次第に溶液の温度が上昇する。温度が高くなると反応が速まるので，加速度的に温度が上昇し，反応も激しくなる．途中で水を加えて反応をおさえる必要がある場合もある。生徒実験では危険なので，教師実験として行う場合に限定すべきであろう。教師実験で，溶けるなどとは思いもよらない金属のかたまりが，単時間ですっかり溶けてしまうことを示す場合に適している．）（６３.

(5) . 榊. ６４. 原. 郁. 子. ２））では鉄くぎホチキスの針銅黄銅白銅板等を完全にとか ’ われわれが作成中の授業書案１，，，，，す場合に使用している．－塩酸と過酸化水素の混合溶液に鉄や銅をとかすと，塩化物イオン（ＣＩ）が金属イオンに配位して，クロロ錯イオンが生成する．鉄のクロロ錯イオンは濃い黄色，銅のクロロ錯イオンは，濃い青緑色）したがって鉄や銅は溶ける量がわずかであっても溶液が色づいてみえから黄緑色を呈する３，，，．る．. 教師実験で，金属片がすっかりとげ，それぞれの金属に個有の色をもった水溶液になることを示した後で，呈色反応皿に数滴の塩酸と過酸化水素の混合溶液をとっていろいろな金属をひたし，液が色づくことから，金属がとげることと，金属の種類を確かめさせる生徒実験（作業）を行わせる５））生徒実験で使用する場合には塩酸も過酸化水素もできるだ ’ と効果的であることが確められた．４，け薄いものにして危険を小さくしたいわけであるが，反応が遅すぎても困る．現在，塩酸と過酸化水素水を２０ｃｍ３づつに水６０ｃｍ３の割合のものを使用している．それぞれの濃度は，塩酸，７．４％（２．１１４モル／）０％（２．１モル／）である．この混合溶液を金属溶解液とよんでいる．，過酸化水素，７．今までに次のような金属製品が，この金属溶解液にとげることが確かめられている．加熱操作は行っていない．鉄製品：スチールウール，画鋲，ステンレス板，ステンレス線，ステンレス釘，ゼムクリップ，虫. ピン，クリップ，パチンコ玉，棒磁石，アルニコ磁石，スプーン，ハサミ，ペン先，ボールペンの金属部，ピンセット，安全ピン，バックル，鉄釘，針金，ちりとり，バケツ，試験管ブラシの柄，洗たくバサミのバネ，カッターの刃，ホチキスの針，シャープペンのキャップ，鉄銭，. 銅製品：銅線，銅板，銅貨，青銅貨，白銅貨，黄銅貨，黄銅線，黄銅板，金属タワシ（黄銅，白銅），ボタン，ソケットの金属部，洋銀板，ネックレス鎖（洋銀？），カギ（黄銅，黄銅にニッケルメッ. キしたもの），アルミニウム製品：アルミ板，アルミ箔，アルミ貨，リベット，その他：ニクロム線，ニッケル貨，ボタン（ニッケル？）. 純金属：ニッケル（粉・板），クロム（粉），マグネシウム（リ，亜鉛（花状，粒，板），スズ（粒）ボン，粉），金（箔）次に，個々の金属と金属溶解液の反応についてのべる．マグネシウム：激しく気体を発生しながらすぐにとげる．マグネシウムを多量に使うと，白色沈でん（酸化マグネシウム）が生じる．アルミニウム：すぐに反応は生じない，やや間をおいて急に激しく気体を発してとげ，溶液は黒灰色ににごろ．しばらく放置すると，透明になってくるが，溶液は薄い黄色をおびる．アルミニウムを塩酸のみにとかすときも，すぐには溶けないが，黒灰色ににごったりすることはない．生じる溶液も無色透明である．過酸化水素を加えると黄色を帯びる原因はわからない．亜鉛：非常にゆっくり溶ける．無色透明で，気体の発生も少いのでとげたと確認しにくい．試験管で実験すると，とげているようには見えないのに試験管が熱くなる．鉄：すぐに黄色に色づくのでとげたと認められる．反応が進むと，黄色から赤褐色に溶液の色がか）ためと思われる鉄わる．くわしく調べていないが，一部が水酸化第二鉄のコロイド溶液になる６．２十を塩酸のみに溶かす場合には，２価の鉄イオン（Ｆｅ）までしか酸化されないので，溶液は，ほとんど無色である．塩酸に過酸化水素を加えると，過酸化水素等の酸化力が水素イオンより強いの３十で，鉄は３価の鉄イオン（Ｆｅ）にまで酸化される．先にも述べたように，３価の鉄イオンには，塩化物イオンが配位して，クロロ鉄（１１１）酸イオンが生じ，このものが濃い黄色を示すので，鉄）（６４.

(6) . 金属の溶解を教材化するための基礎的研究、光こマ谷、 ′. ６５. がわずかにとげても，溶液が色づいて見える．｝ために溶液の色が薄ま鉄を過剰に加えて放置すると，次の反応で２価の鉄イオンが生じる７，る．２Ｆｅ３十十Ｆｅ. →. ＋３Ｆｅ２. ステンレス製品は，普通の鉄より溶けにくいが，十分とげる．クロムが含まれている為に溶液は緑色をおびる。ニッケル：ニッケルイオンの緑色は，薄く，クロロ錯体もできないので，溶液の色からのみ判断する場合にはなかなかとげないように感じる．特に，表面をきれいにみがいたニッケル板では，反応が遅い．スズ：金属の表面に泡がつくのでとげているようではあるが，２日放置しても，金属粒が小さくなったかどうかもはっきりしない．鉛：鉛の塩化物は水にとげにくい．鉛を金属溶解液に入れると，表面に白い沈でんが出来てくる．銅：銅も銅の合金も気持よくとげて，青緑色から黄緑色の溶液になる．銅の合金には，亜鉛やニッケルが含まれているが，亜鉛は無色，ニッケルも薄い緑色なので銅のみをとかした溶液の色と区別がつかない．銀：銀箔を用いたが，箔の表面が黒づんでくる．塩化銀の白色沈でんは認められなかった．銀と鉛は，金属溶解液にとげたとはいえないが，金属溶解液でそれぞれのイオンにはなっている．子どもには，「とげるのだけれど，すぐにとげにくいものに変化するのだ」と説明してもよいと思う．金：金箔を用いたが，３日後にすっかりとげて美しい淡黄色の溶液になった濃塩酸と過酸化水素．のみを用いれば，数分でとげる．. Ｓ５．塩酸と過酸化水素混合溶液の酸化作用. 塩酸と過酸化水素の混合溶液は，４節で述べたように，アルミニウム，鉄，銅とその合金を中心に多くの金属を溶かすが，その酸化作用について整理しておくことにする．過酸化水素を加える効－２－果は，一般に酸化作用のある酸といわれる硝酸や硫酸中の硝酸イオン（Ｎ０３）や硫酸イオン（Ｓ０４）の酸化作用と対比されるべきものと考えるので，硝酸イオン，硫酸イオンについても－諸に考えることにする．. 表１でとり上げた１０種の金属と，酸溶液に含まれる酸化剤について，イオン電子反応式と標準電極電位を表２に示した．塩酸と過酸化水素の混合溶液中に含まれる成分である酸素，塩素，過酸化水素は，いずれも，硫酸イオンや硝酸イオンよりも標準電極電位が大きく（１．２３６，１．３，１．７７Ｖ月重い酸化剤である．塩化物イオンを含む水溶液中での金の標準電極電位は１０ＯＶであるから，，金が塩酸と過酸化水素の混合溶液に溶けることも理解できる．王水による金の溶解は，塩酸と硝酸の反応で生じる塩素と塩化ニトロシルの酸化作用によるといわれる．硝酸や熱濃硫酸に，銅や銀が溶ける反応については，硝酸や硫酸が分解して生じる酸素と銅や銀が反応して，酸化銅や酸化銀になる反応がはじめに起こり，引き続き酸化物が酸に溶ける反応が起るというように，２段階の反応にわける説明がある．塩酸と過酸化水素の混合溶液についていえば，過酸化水素の分解にようて生じた酸素と金属が反応して，金属の酸化物が出来，その酸化物が塩酸）（６５.

(7) . 榊. ６６. 原. 郁. 子. ５℃）表２標準電極電位（酸性溶液２酸化還元系（金. 属）. 十十２８‐→班ｇ肌ｇ２３十十３Ｅ胴一Ａ′ Ａ′ ２２十十２Ｅ ‐→Ｚ７Ｚ７２２２ ‐→Ｆ壱十十２ＥＦ「２８２２十 ‐ 亙Ｚ十２２ → 亙ＺＥ十十２８一一ｓ“ ｓれ２－一ＰわＰわ２十十２Ｅ２. 標. 準. 酸化還元系（酸の成分）. 電極電位－２．３７－１．６６－０．７６－０．４４－０．２３－０．１４－０．１３－０．０４. －→ ＦＢＦｇ３十十３Ｅ２十十２８－→ ＣｚＣ“２ ‘. ＋０，３４. Ａｇ＋＋ｅ－→ ＡｇＡαＣ左十３８‐→ Ａ”＋４Ｃ／－. ＋０．８０十１．００. ２月十十２８－→甘２ｓｏ署－十４″＋＋２ｇ－→ ″２ｓｏ３十 ″２０. 標. 準. 電極電位０．００十０‘ １７. （濃硝酸）十十２８－一入 ‐十４孟」ＥＺ」白「ＭＯＳ２０４十２２０. ÷ 一ｒ ÷０．８０. （稀硝酸）十十２８－→ ”～「ｏ２十おｒ０８十３月ｒ～「２０」ｒ〇０２十４」甘十十４８一一２２－→２Ｃ／－Ｃ／２２十２Ｅ十十２」甘２０ｒ２－一２Ｅ２０２十２月ｒ. ÷ → ← ÷０．９４十１．２３十１．３６十１．７７. ）２１頁よ１守永健一著『酸化と還元』（裳華房，昭和４７年）２. に溶けて透明な溶液になるということになる．このような説明の仕方が有効な場合もあるが，初歩の化学教育の段階では，問題を複雑にするのではないかと考える．まず，金属に注目して，「金属光沢をもった固体が溶けると，すべて透明な溶液になる」ことを金属に共通する変化としてとらえることが重要であり，塩酸と過酸化水素の働きも全体として金属を溶かすものと考えた方がよいだろう．塩酸と過酸化水素の混合溶液に金属をとかす場合，金属の種類，混合溶液の濃度，温度等により金属から電子を受けとるものが変化するし，それらがはたらく割合も変化する．しかし，金属原子が電子を失って陽イオンになるという変化について見れば，すべての金属で同じ反応が起きていえるといえる．. 入門期の化学教育では，「塩酸は，ほとんどの金属をとかすが，金属の中にいくつか塩酸にとげないものがあるから，過酸化水素を加えて，過酸化水素の分解により生じる酸素のたすけを借りるのだ」と説明すればよいであろう．幸い，小学校の５年生で，過酸化水素に二酸化マンガンを加えて酸素を発生させる実験を行うし，塩酸も５年生で，石灰石をとかして二酸化炭素を発生させる実験で使用する．６年生でも，酸性をしめすものとして，また，鉄とアルミニウムをとかすものとして塩酸が使われているので，上記の説明は，十分受け入れられるだろう．硝酸や硫酸では，１つの物質が２通りの働きをしているので，説明しにくいと思う．. Ｓ６．銅と銅の合金の教材としての有用性. 銅を酸に溶かすと，美しい青色の溶液になるので，はじめて，銅を溶かす実験を見た人は，大きな驚きを示す．銅を溶かすときには，硝酸を使うのが普通であるが，硝酸と銅の反応について，中学生がどんな考えをもっているかを知る上で貴重な記録があるので紹介する．当別町弁華別中学校で，朝日均教諭が，昭和５６年に行った授業の一部である．）の中に次のような質問がある〈水溶液〉という授業プラン８．，. （６６）.

(8) . 金属の溶解を教材化するための基礎的研究. ６７. 質問硝酸銅の青い粒（結晶）を，教室でつくれないでしょうか．つくれると思う人は，どんな薬品をまぜたらよいと思いますか．）は非常に興味深いので少し長くなるが全文引用するこの質問に対する中学３年生の授業記録９，。教師. どうやったら硝酸銅の青い粒を作れるか？銅と硝酸を合わせる。そうそう，２つの物を合わせるとできる。. 中村君みんな. 銅十硝酸，それしか考えられん，ＨＮ０３十Ｃｕ… でもちょっと考えが甘いかな－銅と硝酸をまぜる。２Ｃｕ十２ＨＮ０３＝Ｈ２十２ＣｕＮ０３. 渡辺君. 鎌田君日下部君. 硝酸銅だから硝酸と銅. 佐瀬さん. Ｃｕ十ＨＮ０３－Ｈ＝ＣｕＮ０３ＨをＨ２０にしてから熱でＨ０を追い出す２. 。では実験してみるよ（といって銅板の切片と硝酸をもってきて）これとこれをまぜるとみんなは硝酸銅ができるというんだね。. 教師みんな. ええ－／（びっくりする）. 中村君. ちょっとまって．〃. みんな. （いっしゅん沈黙 … …）. 竹内さん. ……わからなくなった。（実物の硝酸銅をみて）やっぱりできないと思う。何ができるか. わからない。 ………. みんな. 〈ここで、人ミノレ〉. 教師. では，次の時間，改めてきくよ。そして実験してみよう．〈次の時間〉. 教師. 本当にこの銅板と，硝酸を－諸にすると硝酸銅ができるの？銅板と硝酸で硝酸銅ができる．４人できない，（またはよくわからない）１０人グループ（４つ）で実験してみなさい。では. 教師. ではそう思う人は？. （生徒実験にはいる） ◎銅板を硝酸に入れると，Ｎ０２の気体発生，臭いに驚いている。そのうちに，液が緑色になってきた。. 生徒たち教師生徒たち. 緑色になった″ すると硝酸コバルトか！？水で少し薄めてみなさい．青になった〃青，やはり硝酸銅ができたのだ。. （ここで顕微鏡で結晶を観察させた。）はっきりではなかったが，市販の硝酸銅と実験で作った硝酸銅が同じであることを確認した。〈授業書に書かれたメモから－－〉びっくりした。. 藤井さん. できた．〃. 柴野さん. 本当にＣｕＮ０３になった。とてもおもしろかった。. 高橋さん. まさかできるとは思わなかった。（６７）.

(9) . 榊. ６８. 竹内さん. 原. 郁. 子. できた．Ｃｕ十ＨＮ０３＝ＣｕＮ０３硝酸の中に銅板を入れたら，どうして色がでたのかが不. 思議だ．硝酸とあんな銅板でできるなんて不思議だけど，いがいと単純なんだな．渡辺君結晶がきれいだ．でも銅がとげて青色になることが不思議だった．. 目黒さん日下部君. よくわからなかったけれど楽しかった．. なんだかうそみたいだ．おもったとおりだ．結晶はあまりうまくできなかった．佐藤さん出来ないと思ったができた．結晶がとてもきれいにみえた．. 中村君. 野布瀬君. 佐瀬さん. とてもきれいな結晶ができた．. 荒谷さん. できた．銅がとげてしまうとは思わなかった．できた．結晶がおもしろい．. 賀戸さん. このクラスは，中学２年の時から，化学式を使って考えるように指導してきたという．だから，はじめに硝酸銅という名前を聞いた時に，硝酸銅だから硝酸と銅をまぜたらよいとすぐに考えられたのだろう．しかも，化学反応式まで書いて，自信をもって硝酸と銅から硝酸銅ができると答えていた．ところが教師に，無色透明で一見水のように見える硝酸と，硬そうな銅板を見せられると途端に自信を失っている．そんな過程を経たということも影響していると思うが，グループ実験で，銅が硝酸に溶けるのを観察した時の驚きは大きかったようである．更に，水分を蒸発させて硝酸銅の結晶を析出させ，市販の硝酸銅の結晶と顕微鏡で比べて見て，同じものができたことを知った時の喜びも大きかったことがメモから読みとれる．. 彼等にとっては，水のように見える硝酸が銅板を簡単にとかすことも，無色透明の液と，赤銅色の金属板から濃い青色の結晶ができることも，非常に考え難いことだったことを，この記録はよく示している．理屈では考えられても，目の前に見せられた，硝酸と銅と硝酸銅のちがいは，理屈を捨てさせるほど大きなものに感じられたのだろう．別の言葉でいえば，化学変化における変化の大きさを十分予想しえないということになるのではないか．このことは，大学生でも大差ないことを一般化学の授業で経験している．硝酸に銅線をとかす実験をグループでやらせているが，毎年「ワアッ－，溶けた」，とか「すごくきれいな色になった」とかの声があがる．黙って不思議そうに見つめ続ける学生もいる．銅は，酸にとかすと美しい青色の溶液になることだけでも大きな驚きを与えることができるが，銅と銅の合金を合わせて扱うと一層興味を深めることができる．それは，銅と亜塩の合金は黄銅とよばれ黄色であり，銅とニッケルの合金は白銅とよばれて銀白色で銅の色と全く異なるのに，酸にとかすと銅に特有の青色の溶液になることによる．しかも，銅は１０円貨，黄銅は５円貨，白銅は，００円貨として使用されており，どの児童・生徒にもよく知られている金属である．お金０５，５，１００を溶かしたりすることは禁じられているから教材には使えないが，代りのものを利用しても，他の金属を使うより効果的である．金属が溶けると透明な溶液になることから，金属の小さい粒（原子）がバラバラになって溶液中に存在すると，考えられるようになることが，金属を酸にとかす授業案のねらいの１つであるが，銅と銅を含む合金は，溶かすと，銅のみを溶かした溶液と全く同じ色を示すことから，合金の状態では，他の金属の影響を受けていても，溶液にしてしまうと，それぞれの金属の小さい粒にバラバラになって，他の金属の影響を受けなくなるということを教えられるのではないかと考えている．）（６８.

(10) . 金属の溶解を教材化するための基礎的研究. ６９. 水溶液にすると各イオンが独立して存在することが，水溶液中でのいろいろな反応の基礎であることを考えると，銅と銅の合金を教材として，イオンの独立性に関するイメージ作りが出来る見通しが得られたことは貴重である。. Ｓ７．金属の分析について塩酸と過酸化水素の混合溶液は，身の囲りにある大部分の金属を溶かすので教材として有用で，あることは既に述べた通りであるが，授業案としては，単に金属が液体にとげることを示すだけでは，十分でない。特に，化学反応を原子ｏ分子論的概念をもとに筋道たてて考えられるようになる以前の段階では，提示する化学反応の有用性を具体的に示すことが興味を深める上で重要であることが明らかになっている．. 金属を酸にとかす反応では，金属とは異なる新しい物質である塩が出来ることを示すプランが多１）では金属を酸にとかして溶液いが，仮説実験授業研究会の中で検討中の授業書案〈錬金術入門〉，にすると，もとの金属にどんな金属が含まれていたかを容易に調べることができることを知らせる内容になっている。. 新しい化合物である塩ができることも重要であるが，生じる塩の組成等を化学式をもとに考えられるような段階でとり上げる方が効果的であろうと考える．授業書案〈錬金術入門〉は，以下に記すような３章からなるものである．授業書案. 〈錬金術入門＞の構成（１９８３，８. 榊原案）. 金属をとかすもの. １章. 鉄や銅でできているものにはどんなものがあるか．鉄や銅でできているものをとかすものはないだろうか。鉄や銅をとかすはたらきのある液体に，鉄くぎを入れたらどのくらいの時間で全部とげ，. 質問１質問２問題１. るか。. 問題２. 問題１で用いた液体が皮ふにつくとどうなるか。. 問題３. 木綿の布や毛糸ではどうか，. 問題４. プラスチックではどうか. おはなし. 金属をとかすもの（酸）. 説明. 金属溶解液. ２章. 金属をとかした溶液. 問題１. 銅線を金属溶解液にとかすとどんな色になるか．. 問題２. ニッケルではどうか鉄，銅，ニッケル，亜鉛，アルミニウム，マグネシウムを金属溶解液にとかし観察記，，. 作業１. 録する．. 問題３. 銅と亜鉛をとかした溶液を混ぜ合わせたら，どんな色になるか。問題４銅と鉄をとかした溶液を混ぜ合わせたら，どんな色になるか。おはなし，金属をとかした溶液を混ぜ合わせた時の色について問題５問題６. 白銅を金属溶解液にとかすとどんな色になるか。黄銅を金属溶解液にとかすとどんな色になるか。（）６９.

(11) . 榊. ７０. イオンと溶液の色. 〃. ３章. お金の材料と合金金属をとかした溶液と「黄血塩」との反応. 解説問題１. 子. 錬金術. おはなし〃. 原・郁. 黄血塩銅をとかした溶液に黄血塩を入れると茶色になるが，亜鉛をとかした溶液ではどんな色になるか．. 問題３. 黄銅をとかした溶液に黄血塩を入れるとどんな色になるか．白銅をとかした溶液に黄血塩を入れるとどんな色になるか．. 問題４. 鉄くぎをとかした溶液に黄血塩を入れるとどうなるか．. 問題２. 化学分析と試薬. おはなし作業１問題５問題６問題７. 金属製品を金属溶解液にとかし，黄血塩との反応を調べる．鉄くぎをとかした溶液を水そう１ばいの水でうすめても，黄血塩で青色になるか．ホウレン草に含まれる鉄を黄血塩で調べられるだろうか．土に含まれる鉄を黄血塩で調べられるか．. おはなし. 試薬で調べられる物質の濃さ. 第一章で，金属を溶かす酸とよばれる物質が存在することを教え，第二章で，いろいろな金属が塩酸と過酸化水素の混合溶液に溶けて，透明な水溶液になることと，溶液に色がつく場合は，金属により決った色を呈することを教える．第三章で，金属をとかして水溶液にすると，特別の試薬を１１）酸カリウム，Ｋ４［Ｆｅ利用して金属の分析が容易にできることを，鉄と黄血塩（ヘキサシアノ鉄（（ＣＮ）６］）の呈色反応を例に教える構成になっている．鉄と黄血塩との反応は，鉄が３価の鉄イオンになっていなければ起きないが，塩酸に過酸化水素を加えた溶液で鉄や鉄の酸化物を溶かすと，鉄は３価の鉄イオンになるので好都合である．黄血塩は高濃度の塩酸で分解するので，反応に際しては水で薄める等の配慮が必要である．３価の鉄イオンと黄血塩の反応は濃い青色の溶液または沈澱が生じる反応で，古くからベルリン青として知られる物質ができるものである．この反応による３価の鉄イオンの検出限界は，２ “ｇ／０）２５ｍｍの鉄くぎの重さが約０５ｇであるが２５ｍｍの鉄くぎ１本を完全に溶かｍ１といわれる１，，．．. した溶液を，１０１ほどの水が入った水槽に入れてかきまぜた後，黄血塩を数滴加えると水槽全体の水が濃い青色になる．非常にわずかしか鉄が含まれていなくても，鉄の存在を知ることができることを教える教材として価値ある反応である．また，ホウレン草などの植物に含まれる鉄も，焼いて灰にしてから，塩酸と過酸化水素の混合溶液にとかすと黄血塩で青くなる．いろいろなものに含まれる異なった状態の鉄も，水溶液の状態にすれば，同じ鉄であることが確かめられる．授業案の作成の過程では，銅イオンと黄血塩の反応，ニッケルイオンとジメチルグリオキシムの反応も検討した．銅イオンと黄血塩の反応では，溶液の色が同じような青色なら，黄血塩による沈澱も同じこげ茶色であることに，予測はついても驚く生徒が多いことが報告されている．ニッケルイオンとジメチルグリオキシムの反応は鮮やかな赤色の沈澱が生じるので楽しい実験となるが，塩酸をアンモニア水で中和して弱アルカリ性にしなければ，沈澱が生じないために，細かな実験の指示が必要であり，現在の授業案には加えていないが，とり上げた方が良いという意見も，小・中学校の先生から寄せられている．. （０）７.

(12) . 金属の溶解を教材化するための基礎的研究. ７１. 謝辞本研究は，岩見沢市教育振興会理科部会および岩見沢理科懇話会，札幌自然科学研究会，仮説実験授業研究会，特に名古屋サークルの諸先生と－諸に行った実験と討論をもとに行われたものである。多くの先生に貴重な示唆をいただいたことを感謝致しますまた，本分校。の奥野教授には，金属材料について御教示いただきました。ここでお礼を申し上げます。本報告は，昭和５８年度文部省特定研究の科学研究費によって行われた研究の一部である。. 参考文献および資料１）榊原郁子，「授業書案〈錬金術入門〉とその解説」『科学入門教育研究』Ｎｏ２，ｐ．１０９～１３２），（つばさ書房，１９８３２）鈴木敏英案，名古屋仮説サークル編，「教育化学入門」）発表資料８４，第２回化学の授業書検討会（名古屋，１９３）松井正明，「銅クロロ錯体のスペクトノレの検討」８年度卒業実験報告要旨集（岩見沢分校，化学科），昭和５４）石塚進，「『金属の分析』の授業を終って」，第２回化学の授業書検討会発表資料５）池田基博，「錬金術入門（榊原案）の授業？記録」同上６）千谷利三，『新版無機化学・下』ｐ１８８（産業図書株式会社，１）９５９，１７）守永健一，『酸化と還元』ｐ３（裳華房，１９２）７．９８）榊原郁子，「〈水溶液〉の授業案と，朝日さんの授業記録と改訂案」仮説実験授業研究会全国大会（１）発表９８１. 資料９）朝日均，「〈水溶液〉 ※何もおきない化学？－化学学習の常識に問いかける－」同上１０）槌田龍太郎．原沢四郎，『分析化学実験法１』ｐ９（共立出版，１９５３），７. （）７１.

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