ヴィクタ－・オ－ベンドラウフ (グラーツ大学, オーストリア) viktor@obendrauf.com “インスタント化学 “ 爆発を含む、スモールスケールおよびマイクロスケールの気体反応を用いた化学教育 国際基督教大学, 東京 2007年 8月 16 -18日 共催： 日本化学会、日本化学教育協議会 後援： 独立行政法人 日本科学技術振興機構 国際基督教大学財団(JICUF) ヴィクタ－・オ－ベンドラウフ (グラーツ大学, オーストリア) viktor@obendrauf.com 日本語訳：吉川宗芳、吉野輝雄

化学実験の実演と実習の必要条件 先生及び生徒にとって、可能な限り安全 時間の節約 (準備, 実験, 後片付け) 時間の節約 (準備, 実験, 後片付け) 環境を汚染しない (廃棄物の削減) V.O.

化学実験の実演と実習の必要条件 費用の節約になる (器具, 化学薬品) 日常生活の参考になる 化学の理論を説明している V.O.

液体はビーカーで容易に扱える。気体は困難。 ごく少量の危険な物質でも、排気装置が本当に必要か？ でも、一体どんな反応なの？ スタンドがいっぱい！ V.O.

液体はビーカーで容易に扱える。気体は困難。 化学の実演実験は、本当に先生の机上でしかやってはいけないのか？ 安全保護具はどうなっているの？ V.O.

液体はビーカーで容易に扱える。気体は困難。 実演と同じ量の化学物質を、生徒実験に使うことができるか？ 直接参加できる実験は、物理教育でしかできないのか？ 安全保護具はどうなっているの？ V.O.

液体はビーカーで容易に扱える。気体は困難。 生徒の近くで気体反応を行うために、 　実演実験のマイクロスケール化ができないか？ でも、一体どんな反応なの？ スタンドがいっぱい！ V.O.

液体はビーカーで容易に扱える。気体は困難。 スタンドを使わず、手に持てる器具を使って 　　実験ができないか？ でも、一体どんな反応なの？ スタンドがいっぱい！ V.O.

化学の先生方が本当に望むことは？ (化学教員2000人に対する調査) 最も望むこと２つを ５つの中から 選んで下さい パーセント (1999年秋　回答者632名)

多くの化学教員が、 不満を感じている？ V.O.

実験は、化学教育にとって必要不可欠 ！ 多くの化学教員が、 不満を感じている？ しかし、 多くの時間を浪費する実験が、先生のやる気を起こしますか ? しかし、 時間を浪費する実験は、生徒の知識を増やせたとしても、むしろ退屈ではありませんか ? 化学的背景や流れを教え、話し合い、復習する充分な時間がありますか ? V.O.

インスタント化学 実用的化学実験のための２つの基準: 時間の節約: 実験は数分で後片付けまで終わるべきである。 　　インスタント化学 実用的化学実験のための２つの基準: 時間の節約: 実験は数分で後片付けまで終わるべきである。 費用の節約: 実験はなじみのある、安価な日常の生活用品を用いるべきである。

　　　インスタント化学 以下の気体を含む例 　　　　塩化水素, アセチレン, 酸素, 　　　　　アンモニア

古典的な気体生成実験の よく知られた問題点

0 0 +1 -1 Na + ½ Cl2  NaCl

●気体部分の多い、大きなフラスコを使い、 大量の化学薬品が必要 ●生徒の席から遠くに組み立てた 複雑な実験装置を使う ●時間がかかる(準備, 後片付け) ●高価な器具を使う ●気体部分の多い、大きなフラスコを使い、　　　　　　　　　大量の化学薬品が必要 ●排気装置は騒音を出し、設置場所が悪い ●廃棄物が発生する それでも　　　大規模実験?

反応システムを変えずに、スモールスケール、マイクロスケール化が可能か? 0 0 +1 -1 　　　塩素: ½ Cl2 + Na  NaCl 反応システムを変えずに、スモールスケール、マイクロスケール化が可能か?

大きなスケールの実験の 危険性と不都合な点: 0 0 +1 -1 塩素: ½ Cl2 + Na  NaCl 大きなスケールの実験の 危険性と不都合な点: 複雑な装置を使う 先生の机に固定される 　　　　　 多くの時間を浪費する 　　　　　(準備, 後片付け) 高価な材料を使う スモールスケールかマイクロスケールか?

V.O. © 安価な 気体発生装置 v.o. 試験管 (Fiolax製 16/160mm) ゴム栓 (Verneret製) 　 　　(柔らかい素材, 18D) 2本の針を栓に差して置く (1,2/40 mm; 先端を切る) 2mLの注射器 (Normject製)　　1本 (動かないように固定) 20 mlの注射器 (ONCE製) 1本 (ピストンのゴムには、特殊なシリコン油を塗っておく) 10 mlの注射器に粒状の活性炭(Merck製）を詰めておく 葉 葉 活性炭 v.o.

V.O. © 先端を切る ゴム栓 (Verneret製) 18D 試験管 (Fiolax製) 16/160 mm 2mlの注射器 　　　 (動き難いようにする) 20mlの注射器 (ONCE製) (ピストンのゴムには特殊なシリコン油を塗っておく)

気体キットI V.O. © 気体キット II V.O. ©

安価な塩素発生実験 + 濃HCl Cl2 (g) Cl2を貯める KMnO4 (s) Mn 2+ (aq) Der Gasentwickler eignet sich für die Gewinnung aller Gase aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit. Der Feststoff wird in dem Probegläschen vorgelegt und die Flüssigkeit mit der kleinen Injektionsspritze tropfenweise zugefügt. Das entstehende Gas sammelt sich in der großen Spritze. Die erste Gasprobe wird wegen Unreinheit verworfen. Bei schädlichen Gasen setzt man auf den Anschluss eine Spritzenhülle (ohne Kolben), die mit gekörnter Aktivkohle gefüllt ist (so genanntes Absorptionsröhrchen). KMnO4 (s) Mn 2+ (aq)

塩素の発生と漂白 食塩の生成 葉 葉 活性炭 V.O.

食塩の生成 V.O.

食塩 ½ Cl2 + Na  NaCl 顕微鏡スライド上の 反応生成物+ 水1滴 蒸発後、 立体顕微鏡で観察 0 0 +1 -1 食塩　　　　　　　 ½ Cl2 + Na  NaCl 顕微鏡スライド上の 反応生成物+ 水1滴 蒸発後、 立体顕微鏡で観察 (+FLEXCAM) x40 倍

安価な水素発生実験 + 濃HCl H2 (g) H2を貯める Zn 2+ (aq) + 2 Cl- (aq) Zn (s) Der Gasentwickler eignet sich für die Gewinnung aller Gase aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit. Der Feststoff wird in dem Probegläschen vorgelegt und die Flüssigkeit mit der kleinen Injektionsspritze tropfenweise zugefügt. Das entstehende Gas sammelt sich in der großen Spritze. Die erste Gasprobe wird wegen Unreinheit verworfen. Bei schädlichen Gasen setzt man auf den Anschluss eine Spritzenhülle (ohne Kolben), die mit gekörnter Aktivkohle gefüllt ist (so genanntes Absorptionsröhrchen). Zn 2+ (aq) + 2 Cl- (aq) Zn (s)

Kundt管としての試験管 試験管 (Fiolax製) 16/160 水素 15 ml 手順: 15 mlの水素を試験管に注入し、点火する。 f = c ･ f = 340 m･s-1 ･64･10-2 m-1= 531 Hz f = 340 m･s-1 ･0.5･10-2 m-1 = 68,000 Hz

J. W. デーベライナー (1780-1849) デーベライナーのライター (イェーナ 1823) 細かく砕いたプラチナ粉末に、　　水素ガスを誘導すると発火する モデル実験

安価な水の電気分解 ©V.O.

安価な水の電気分解 CO32- + H2O → HCO3- + OH- 陰極: 2 H2O (l) + 2 e- → H2 (g) + 2 OH- 陽極: 2 OH- (aq) → H2O + ½O2 +2e- 酸化還元: H2O (l) → H2 (g) + ½O2 酸素の　　収集 酸素の　検知 水素の　検知 ©V.O.

水素と塩素の反応: H2 + Cl2  2 HCl 純粋な水素+ 10 ml 塩素 10 mL 発火 (LZ 20) KMnO4 Zn (顆粒)

安価なC2H2(アセチレン)発生実験 + H2O C2H2 (g) C2H2 を貯める CaC2 (s) Der Gasentwickler eignet sich für die Gewinnung aller Gase aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit. Der Feststoff wird in dem Probegläschen vorgelegt und die Flüssigkeit mit der kleinen Injektionsspritze tropfenweise zugefügt. Das entstehende Gas sammelt sich in der großen Spritze. Die erste Gasprobe wird wegen Unreinheit verworfen. Bei schädlichen Gasen setzt man auf den Anschluss eine Spritzenhülle (ohne Kolben), die mit gekörnter Aktivkohle gefüllt ist (so genanntes Absorptionsröhrchen). CaC2 (s) Ca2+ (aq) + 2 OH- (aq) カルシウム　カーバイド

C2H2 + Cl2  2 C + 2 HCl C2H2 + Cl2  C2H2Cl2 塩素 20 ml アセチレン 20 ml -1 +1 0 0 +1 -1 C2H2 + Cl2  2 C + 2 HCl C2H2 + Cl2  C2H2Cl2 塩素　20 ml アセチレン　20 ml 絶縁体 (伝導性の針金を除いたもの) 200 ml三角フラスコ

安価な酸素発生実験 + H2O2 O2 (g) O2 を貯める MnO2- 粒 Der Gasentwickler eignet sich für die Gewinnung aller Gase aus einem Feststoff und einer Flüssigkeit. Der Feststoff wird in dem Probegläschen vorgelegt und die Flüssigkeit mit der kleinen Injektionsspritze tropfenweise zugefügt. Das entstehende Gas sammelt sich in der großen Spritze. Die erste Gasprobe wird wegen Unreinheit verworfen. Bei schädlichen Gasen setzt man auf den Anschluss eine Spritzenhülle (ohne Kolben), die mit gekörnter Aktivkohle gefüllt ist (so genanntes Absorptionsröhrchen). MnO2-　粒

酸素: 2½ O2 + C2H2  2 CO2 + H2O 酸素10 mlと アセチレン4 ml の混合物 0 -1 +1 +4 -2 +1 -2 酸素: 2½ O2 + C2H2  2 CO2 + H2O O2 酸素10 mlと アセチレン4 ml の混合物

ろうそく蒸気の発火 G. Arcimboldo: Ignis (1566) Kunsthistor. Museum Wien CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3  CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2• + H• G. Arcimboldo: Ignis (1566) Kunsthistor. Museum Wien 4 H• + •O-O•  2 H2O

水素の　発生 酸素の　発生 H2 O2

反転する炎 – スモールスケール実験として

マイクロスケールでのアンモニア　の噴水 NH3(g) + H2O → NH4+ + OH― V.O. 自動的に動く

インスタント化学 他の実験例 二酸化硫黄 硫化水素 一酸化炭素

硫化水素の発生 二酸化硫黄の発生 二酸化硫黄 : SO2 + 2H2S  2H2O + 3 S H2SO4 HCl SO2 H2S +4 -2 +1 -2 +1 -2 0 二酸化硫黄 : SO2 + 2H2S  2H2O + 3 S H2SO4 HCl SO2 H2S 硫化水素の発生 二酸化硫黄の発生 Na2SO3 FeS

+4 -2 +1 -2 +1 -2 0 二酸化硫黄　　　: SO2 + 2H2S  2H2O + 3 S (20 ml) (10 ml)

還元剤としての一酸化炭素 HCOOH → CO + H2O H2SO4

脱硫黄装置: SO2 + CaCO3 + ½O2  CaSO4 + CO2 　脱硫黄装置: +4 -2 +2 +4 -2 +0 +2 +6 -2 +4 -2 SO2 + CaCO3 + ½O2  CaSO4 + CO2

亜酸化窒素 二酸化炭素 ライターの気体 ライターの燃料 　　　インスタント化学 他の実験例 亜酸化窒素 　　　　　二酸化炭素 　　　　 ライターの気体 　　　 ライターの燃料

市場で入手可能な気体と蒸気: N2O と CO2　 栓空け器の力を借りて...

亜酸化窒素の 臨界点 亜酸化窒素 液体窒素に浸した綿 72.6bar P 臨界点 72,6bar 液体 固体 気体 三重点 36.5℃ T

消火と綿火薬 Easy Whip 0.5 l 29 Euro Soda bottle charger: 0.15 Euro Easy Whip 0.5 l 29 Euro Whipped cream charger: 0.26 Euro

ソーダ水容器の栓では上手くいかない ! Gourmet Whip 0.5 l 65 Euro Sahnekapsel: 0.26 Euro

Gourmet Whip 0.5 l 65 Euro Sahnekapsel: 0.26 Euro

Bürkle スノーパック: 175 Euro exkl. 30 gドライアイス／毎分 10 l 二酸化炭素ボトル 　　 　特殊な弁付: 331 Euro Easy Whip 0.5 l 29 Euro Whipped cream charger: 0.26 Euro

©V.O. 3/2004 安価な大砲　　　　　　　　一定体積比の混合気体

1 ブタン、亜酸化窒素 そして圧点火装置… C4H10 + 13 N2O → 4 CO2 + 5 H2O + 13 N2 (HR = - 3723 kJ) H2 + ½ O2 → H2O (HR = - 242 kJ)

一定体積比の混合気体 反応物 生成物 HR (kJ) H2 + 0.5 O2 → H2O - 242 H2 + Cl2 → HCl - 185 H2 + N2O → H2O + N2 - 324 NH3+ 0.75 O2 → 1.5 H2O + 0.5 N2 - 317 NH3+ 1.5 N2O → 1.5 H2O + 2 N2 - 440 CO + 0.5 O2 → CO2 - 283 CO + N2O → CO2 + N2 - 365

一定体積比の混合気体 反応物 生成物 HR (kJ) CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O - 802 CH4 + 4 N2O → CO2 + 2 H2O + 4 N2 -1130 C2H2 + 2.5 O2 → CO2 + H2O 　　　-1255 C2H2 + 5 N2O → 2 CO2 + H2O + 5 N2 -1666 C4H10 + 6.5 O2 → 4 CO2 + 5 H2O -2657 C4H10 + 13 N2O → 4 CO2 + 5 H2O + 13 N2 -3723

フジフィルムケース中のライター燃料 1 C8H18 + 12.5 O2 → 8 CO2 + 9 H2O ZIPPOオイル 　沸点幅: 113-133 ℃　 (主にオクタン) オクタン: LEL: 0.8 %vol, HEL: 6.5 %vol オクタンの蒸気圧: 　　0.0147 bar 1 C8H18 + 12.5 O2 → 8 CO2 + 9 H2O v.o.

日本の装置… PbZrxTiyO3 鉛-チタン-ジルコニウム セラミックス

フジ フィルムケース中のZIPPOオイルの爆発限界 フィルムケースの体積 = 33 cm3 気圧 = 1 bar 78 % N2 (分圧 = 0.78 bar) 部分体積 = 33cm3 x 0.78 21 % O2 (分圧 = 0.21 bar) 部分体積 = 33cm3 x 0.21 = 6.9 cm3 v.o.

フィルムケース中のオクタンの爆発限界 p(オクタン) = 0.0147 bar P(空気) = 1.00 bar O2の体積 = 6.9cm3 C8H18の体積 = x cm3 x: 0.0147 = 33 : 1.0147 x = 0.5 cm3 0.5 cm3 C8H18 : 6.9 cm3 O2 = 1 : 14 33 : 100 = 0.5 : x x = 1.5 Vol% v.o.

友好的なご対応とご助力に感謝申し上げます 謝辞 ご清聴 ありがとう ございます 荻野和子・荻野博先生 友好的なご対応とご助力に感謝申し上げます V.O.