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はじめに

実験授業でマンガン乾電池を分解すると、大量の二酸化マンガンと亜鉛が余ります。

これをそのまま廃棄してしまうのはもったいないので、取り出した二酸化マンガンと亜鉛は、水素の発生と酸素の発生を確認する実験として再利用します。

二酸化マンガンは過酸化水素の分解反応の触媒として、亜鉛は塩酸と反応すると水素を発生します。これらの反応を利用することで水素と酸素を発生させて、実際に発生した気体がそれぞれ水素と酸素であることを確認します。

水の生成と水素・酸素の発生

準備物()内は10セットの必要数
■実験1:水の生成
・爆鳴器1台(チューブ50cm、ゴム栓、クリップ2個、ダルマ式画鋲4個で制作) ・クリップ付きスタンド1台 ・使用済みチャッカマン1つ ワニ口クリップコード2本 ・実験用水素 ・実験用酸素 ・水槽
実験2:水素の発生 実験3:酸素の発生
・プラスチックケース大小各1個(10個) ・試験管立て1個(10個) ・試験管3本(30本) ・ピペット1本(10本)+1本 ・亜鉛チップ4枚(40枚) ・万能はさみ1本 ・塩酸2ml(20ml) ・マッチ4本(40本) ・紙コップ2個(20個) ・スチール缶1個(10個) ・オキシドール10ml(100ml) ・二酸化マンガン小さじ1杯(0.5g程度×10グループ=5g) ・薬品さじ1本(10本) ・線香2本(20本) ・水酸化ナトリウム適量 ・バケツ1個

亜鉛と二酸化マンガンは、マンガン乾電池を分解した時のものを使用します。

・爆鳴器の材料になるチューブ、ゴム栓、スタンド、ワニ口クリップコードはAmazonで購入しました。ワニ口クリップとコードはホームセンターに売っているので、半田ごてを使って自分で組み立てることもできます。店舗で購入する場合は、東急ハンズなどに行けば手に入ります。

・試験管、試験管立て、駒込ピペット、薬品さじ、ビーカー、実験用水素、実験用酸素はケニスで購入しました。アマゾンでも購入できます。

・塩酸は学校を通して購入しないと手に入らないのですが、希塩酸であればモノタロウで購入可能です。その場合、マッチの火に反応するのに十分な水素が発生するまで時間がかかるので注意してください。

・水酸化ナトリウムも学校を通さないと購入できませんが、希釈溶液であればモノタロウで購入可能です。

・クリップ、ダルマ式画鋲、水槽、万能ばさみ、紙コップ、線香、バケツはホームセンターで購入しました。私は、A4サイズのファイルボックスを水槽の代わりに使っています。

・紙コップは、ポップコーンの実験で使用したものを再利用しています。

・チャッカマン、プラスチックケースは100均で購入しました。チャッカマンは新品のものではなく、使用済みのものを分解して利用します。プラスチックケース大の方はバット状のものを、小の方はペンケース状のものを適当に選んでいます。

・オキシドールは薬局で購入しました。

 

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事前準備

実験1

水槽に水をため、教卓の前に爆鳴器をセットしておく。

実験2、3

試験立てに試験管を3本立てておく。使用するのは2本。1本は、ピペットの置き場所として利用して、予備が必要な時はこれを使う。

亜鉛板を万能はさみでチップ状に切断して紙コップに入れる。市販のものを購入した場合は、この工程はカットできます。

二酸化マンガンを紙コップに入れる。


プラスチックケース小にマッチ棒4本とマッチ箱、線香2本を入れる。

※マッチと線香は、1回の実験で使う分だけ入れておく。余分に入れておくと生徒が興味本位で全部使用してしまう可能性があります。

ビーカーの中にオキシドールを10ml入れます。

プラスチックケース大にまとめておきます。

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授業展開

プリントの配布および語句の記入と本時の説明

プリントの配布が完了したら、重要語句をプリントに記入してもらいます。語句の説明については、細々と行わず実験を通して、原理を説明していきます。生徒が画面の内容をプリントに記入している間に、爆鳴器の中に酸素と水素を充填します。

注意点:酸素から先に入れるようにしてください。気体の重さの関係から水素を先に充填してしまうと、後から入れた酸素が下に滞留して気体が上手く混合しません。

実験1


実験1は演示実験です。教卓の前の爆鳴器を起動させて、水素と酸素の反応を観察します。
チューブの中に水素と酸素が入っていて、静電気の火花によって、化学反応が起きることを生徒たちに伝えます。
次に代表生徒を募って、チャッカマンのスイッチを押してもらいます。

実際の反応はこちらの動画を参考にしてください。

実験2


1.実験1が終了したら実験2に移ります。予め準備した実験セットを、各グループの代表生徒に取りに来てもらいます。
2.実験セットが全グループに行き渡ったら、試験管を1本取り出して、亜鉛のチップを3、4枚入れるよう伝えます。
3.塩酸を入れる工程は授業者が行うので、実験2はここでストップして実験3に移ります。
4.実験3の操作を生徒たちに説明したら、各グループを順に回って、亜鉛チップの入った試験管に塩酸を2ml加えます。
5.発生した気体にマッチの火を近づけて反応を観察します。
「ポッ」と音を立てたら水素の存在が確認できます。

※塩酸はバケツの中に入れて持ち運びます。こうしておくと床に塩酸をこぼしたりテーブルを汚すことがなくなります。

実験3


1.空の試験管に二酸化マンガンの粉末を小さじ1杯加えるように伝えます。
2.次に試験管の中にオキシドールを2ml加えます。
3.線香に火をつけて、試験管の中から発生した気体に線香の火を近づけます。

線香の火が激しく燃えたら酸素の存在を確認できます。

実験2と実験3の反応については次の動画を確認してください。

後片付け

大まかな片付けの手順はモニターに表示させておいて、授業者は生徒たちの動きをみながら細かな指示を与えていきます。

塩酸は大量の水で希釈して処分しますが、水酸化ナトリウムを加えて中和させておくことをお勧めします。

残った亜鉛チップは、次の実験でも再利用できるのでとっておきます。最終的に余ったものは不燃物として処分します。

使用したマッチ棒や線香はスチール缶の中に入れておきます。
最後のクラスの実験が終了したらまとめて可燃物として処分します。

オキシドールの残量が少なくなっていたら、その都度補充します。

これで次のクラスは、マッチ棒と線香、洗浄した試験管を補充するところから始めることができます。

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