分析化学における実験手順や物質量概念の視覚化を志向した簡易教材

中1

釜達朗

は じ め に2013 年に全国 2012 の文系・理系学科に対して行われたベネッセ教育総合研究所の調査1) によれば，「以前より学生の学力が低くなったことが問題になっている」と答えた学科は 75.8 ％ にのぼり，特に私立大学では79.4 ％ と高比率であった。この傾向は現在でも続いており，いわゆる中堅以下の大学ではその傾向が強くなっているとも思える。分析化学においても実験書を読んで実験操作の全体像や単位操作の意味を理解できない，あるいは抽出や滴定などにおける物質移動や物質収支などを化学量論的に理解できない学生が散見される。最近，このような理工学系の化学系学生に対して実験操作2)や物質量の概念3)～5)の視覚化を志向した教材が報告されたので紹介する。

2

実験操作を視覚化するためのフローチャー
ト作成支援テンプレート

フローチャート作成は操作や考え方などを視覚化する行為であり，分析化学実験においては個々の単位操作の意味や関連性を俯瞰的に理解する機会となる。実際に分図1

フローチャート記号2)析化学実験に関してフローチャートを使った実験書6)7)も市販されている。しかしながら，学生はしばしば体裁にこだわりすぎ，フローチャート作成に長時間要するこ「容器・器具」は測定精度やコンタミネーションの履歴とがある。本節では，フリーウェアを利用して簡易に化を考える上で重要な要素である。記号の定義を図 1 に学実験用フローチャートを作成できるテンプレート2)を示す。レポートなどにおいて狭いスペースでもチャート紹介する。

全体が描画できるように単純な記号としている。図中，このテンプレートでは化学実験フローチャートを「化２（容器・器具）以外は実験書6)7)とほぼ同等であるが，◯学実験における一連の操作及び化学物質の状態変化を表

２ については JIS X0221（情報処理用流れ図・プログラ◯した図」と定義している。チャートの主たる構成要素は

ム網図・システム資源図記号， 1986 ）の「準備」を示「対象物質」，ガラス器具など物質を留める「容器・器具」

すフローチャート記号を割り当てている。フリーウェア

および「単位操作」である。分析化学実験において，には操作性やカスタマイズ性などの点から情報関係の実

Simple Educational Materials for Visualizing Experimental

習などで使用例がある Dynamic Draw8)を使用していProcedures and the Concept of ``Amount of Substance'' inる。テンプレートを図 2 に示す。このテンプレートはAnalytical Chemistry.

「化学実験フローチャート作成用テンプレート」として446

ぶんせき  図2

テンプレート画面

Dynamic Drawのライブラリー9) からダウンロード可

カードの数字で示したり5)して可視化し，化学実験容器能である。フローチャートの作成方法はおおむね以下のや器具を模した図上で硬貨やカードを移動させたり，再とおりである。

配置することによって物質移動や物質収支，あるいは濃まず，実験手順に関する文中からフローチャート記号

度変化などを視覚的に理解できる教材3)～5)（ボードゲーに該当する構成要素を抜き出す。次に，ワークシート

ム型簡易シミュレーションシート）が報告された。これ（図 2）画面左側のチップテーブルから該当する構成要らの概要を紹介する。

素のフローチャート記号を選んでクリックし，そのまま画面右側にあるワークシートの任意の場所へドラッグ＆ドロップする。ドロップ後，記号の文字部分をダブルク

3･1

抽出における物質移動と物質収支を視覚化したシミュレーションシート

リックしてテキストを書き換える。続いて，各フロー報告された抽出シミュレーションシート3)を図 3 に示

チャート記号を出発物質と操作後の物質（生成物質）にす。 A5 版の用紙に分液漏斗を模した図が描かれてお関する流れを「幹」にして上から下に配置する。試薬のり，漏斗中に水相（上層）と有機相（抽出相，下層）が添加は「幹」の右側に配置する。配置後，記号間を縦実示されている。有機相体積は 0.5 L としている。これは線で結ぶ。物質の移動（容器への添加，移し替えなど）配置されている硬貨の枚数から濃度を推算する際に，1９ ）を使用する。必要に応じを示す部分には矢印（図 1◯

L （単位体積）当たりの枚数に換算させ，「単位体積当て多角線や矢印などを用いる。最後に配置を整え，吹きたりに存在する物質量が濃度である」感覚を再確認させ10 ）で実験条件や注意点などを書き加え出し記号（図 1◯ることが目的である。水相は有機相の 4 倍体積（ 2 L）る。なお，作成方法は動画プラットフォームとし，図のように有機相と同じ体積に 4 分割されていYouTubeでも一般公開されている10)。登録記号の変更

る。抽出対象物質 1 mmol を「硬貨 1 枚」とし，分割さや追加などワークシートをカスタマイズする方法についれた水相エリアには同じ枚数になるように硬貨を配置すては既報2)を参照されたい。

3

物質量概念を視覚化したボードゲーム型簡易シミュレーションシート

る。図 3 のエリア境界線上に描かれている点線円内に硬貨を置いたとき，分割された水相エリアにそれぞれ1 / 2, 1 / 4 枚の硬貨を配置したことになる。このシミュ

レーションシートでは，分液漏斗内の硬貨の総枚数に対物質量の概念は化学量論や化学平衡論を議論する際にする有機相エリアの硬貨枚数比が抽出率（E ）に相当す基本となる考え方である。しかしながら，知識の暗記にる。また，抽出対象物質は単一で系内において変化しな頼ってきた学生や計算の修得を通じて理解してきた学生

い，すなわち，分配比は分配係数（ KD ）に等しいと仮の中には物質量や物質収支などについて具体的なイメー定している。この仮定では，分割された水相エリアに置ジが持てなかったり，希薄だったりする学生も多い。最かれている硬貨の枚数に対する有機相エリアにある硬貨

近，単位物質量を硬貨に置き換えたり3)4) ，物質量を枚数の比が KD になる。水相および有機相の濃度（ Caqぶんせき  447図3抽出シミュレーションシート3)

および Corg, mmol / L ）は 1 L エリアにある硬貨枚数を数える，あるいは 0.5 L エリアにある枚数を 2 倍すれば求められる。
例えば，抽出前の Caq が 5 mmol / L とすると水相に10 枚の硬貨（ 10 mmol 分）が配置される。この場合，抽出率 0 から 1.0 まで 0.1 刻みで硬貨を配置することができる。配置例を図 4 に示す。例えば E＝0.5 の場合，10 枚の硬貨のうち， 5 枚が有機相エリアにある状態になる。有機相エリア（ 0.5 L ）に 5 枚の硬貨があることから Corg は 10 mmol / L ，水相の 1 L エリアに 2.5 枚の硬貨があることから Caq は 2.5 mmol / L ，濃度比である
KD は 4 となる。また，両相での同一体積内の物質量に着目しても，水相の 0.5 L エリアにある硬貨は 1.25 枚であることから KD は 5/1.25＝4 と推算される。
同じようなイメージを使って，さらに小数点以下の桁数が多い E での推算も可能である。例えば同じ抽出条
件で E＝0.99 のとき，有機相エリアには「9.9 枚」，0.5L 水相エリアには 0.1 / 4 ＝ 0.025 枚の硬貨が存在することになる。したがって， KD ＝ 9.9 / 0.025 ＝ 396, Corg ＝19.8 mmol/L, Caq＝ 0.05 mmol/L（ Corg/ Caq＝ 19.8 /0.05＝ 396 ）となる。さらに， E ＝ 0.999 では KD ＝ 9.99 枚/( 0.01 枚 / 4 )＝ 3996, Corg ＝ 19.98 mmol / L, Caq ＝ 0.005mmol/L（Corg/Caq＝19.98/0.005＝3996）となる。なお，

本シートの使用例は YouTubeでも一般公開されてい図4

抽出率（E）増加に伴う硬貨の配置変化3)る11)。
シートには，滴定剤溶液を滴加する器具としてのビュ
3 ･2滴定における化学反応を伴う物質収支を視覚化レット（図 5 中，左上）と滴定容器としてのビーカーしたシミュレーションシート（同下）を模した図が描かれている。また，両図とも液本教材4)は汎用性と一般性を考慮し，酸塩基滴定，酸体部分は 10 mL ずつ分割された小エリアで構成されて化還元滴定など特定の滴定系ではなく滴定剤と分析対象いる。ビュレットに充填する滴定剤溶液の体積は最大成分が 1 : 1 で反応する系として設計されている。報告40 mL，ビーカーに最初に入れる試料溶液の初期体積はされたシミュレーションシートを図 5 に示す。A4 版の20 mL としている。また，滴定剤 1 mmol を「 1 円硬448

ぶんせき  貨」，分析対象成分（分析種）1 mmol を「10 円硬貨」，生成物質 1 mmol を「1 円硬貨を載せた 10 円硬貨」各 1枚ずつで表している（図 5 ）。これらの硬貨は直径の異なる 2 種類の円形チップで代用できる。濃度が 0.1 mol/L（1 mmol/10 mL）の場合，10 mL 分割エリアに 1 枚あるいは 1 組の硬貨が配置される（図 5 右上）。ビュレットおよびビーカー内では化学種は均一な濃度でなければならないので，硬貨は 10 mL 分割エリアに均等な枚数になるように配置される。このシートではビーカー内の分析対象成分濃度（ CA ）を 0.15, 0.3, 0.45 および0.6 mol/ L，ビュレット内の滴定剤濃度（ CB）を 0.3 お

よび 0.6 mol / L ，滴加量を 10, 20, 30 および 40 mL の設定で計 32 パターンのシミュレーションを前提としている。ビーカー内の溶液量は 10 mL, 30 mL など変更可能であることから，さらに多くのパターンでのシミュレーションが可能である。
例として，分析対象成分を含む溶液（CA＝0.45 mol/L）
20 mL を滴定剤溶液（CB＝0.3 mol/L）40 mL で滴定する場合の各硬貨の初期配置を図 6 上段左に示す。ビー
図5

滴定シミュレーションシート4)

図6

カー内の分析対象成分溶液は 20 mL なので， 2 か所の滴定液滴加に伴う硬貨の配置変化4)（CA＝0.45 mol/L, CB＝0.3 mol/L)

ぶんせき 
 449

10 mL エリアに 4.5 枚ずつ 10 円硬貨を配置する。一方，ビュレットの 10 mL エリアにはそれぞれ 3 枚ずつ

3 ･3

クロマトグラフィーにおける段理論を視覚化したシミュレーションシート

段理論はクロマトグラフィーにおける基本理論であ1 円硬貨を配置する。

ビュレットから滴定剤溶液を 10 mL 滴加した場合，り，連続多段抽出の原理で説明されることが多い。本教

ビーカー内の溶液は 30 mL となり，硬貨の配置は図 6材5) は 2 枚のシミュレーションシートと 50 枚の物質量上段中央のようになる。 3 mmol の滴定剤に相当する 1カード（図 7）から構成される。 A4 判の 2 枚のシート

円硬貨 3 枚がビーカーに移動し，ビーカー内は 10 円硬にはそれぞれ縦置きのステンレス製分離カラムを模した貨 6 枚と重ね硬貨 3 組となる。このとき，ビーカー内図が描かれており，カラムの中に固定相と移動相が示さの 10 mL エリアには 2 mmol の分析対象成分に相当すれている。左側のシートが相比（ b)＝1，右側のシート

る 10 円硬貨 2 枚と， 1 mmol の生成物質に相当する重が b＝3 を想定している。移動相は下から上へ流通させね硬貨 1 組がそれぞれ配置される。したがって， CA はるデザインである。カラムの段数は，シミュレーション

0.2 mol / L ，生成物質の濃度（ CAB ）は 0.1 mol / L と推時間と作業の簡易性などを考慮して 5 段としている。

算される。

試料導入量は物質量として約 1 nmol（1024 nmol）とし続 いて ，滴 定剤溶 液を 10 mL 添加 した とき はビ ーている。物質量カードを用いることにより， b ＝ 1 のカー内溶液量が 40 mL となり，硬貨は図 6 上段右の配シートでは KD＝1/3, 1 および 3, b＝3 のシートでは KD置になる。ビーカー内の 10 mL エリアに着目すると，＝1, 3 および 9 の場合をそれぞれシミュレーションでき0.75 mmol の分析対象成分に相当する 10 円硬貨 3/4 枚る。シミュレーションの過程では物質量を 1/ 4, 1 / 2 あと 1.5 mmol の生成物質に相当する重ね硬貨 3/2 組がそるいは 3 / 4 にする必要があるため，カードには物質量れぞれ配置される。したがって， CA ＝ 0.075 mol / L ，値の下にその 1/ 4, 1 /2 および 3/ 4 の候補値を小さく併

CAB＝0.15 mol/L と推算される。さらに，滴定剤溶液を記している。また， 50 枚のカードの中から使用する

10 mL 添加したとき（図 6 下段左）は重ね硬貨 9 組のカードを選択しやすいように，物質量の数値について 4みとなり当量点を示す。溶液量は 50 mL となり，ビー桁数字を黒色，3 桁数字を緑色，2 桁数字を青色およびカー内の 10 mL エリアにはそれぞれ 1.8 mmol の生成物1 桁数字を赤色で記載している。

質に相当する重ね硬貨 9/5 組が配置されるので，CAB＝

図 8 に b＝KD＝1 におけるカラム内での物質量分布を0.18 mol / L と推 算 で きる 。 滴定 剤 溶液 を す べて ビ ー

5 段目までシミュレーションした結果を示す。この場

カー内に滴加した場合（同下段右）は，ビーカー内の溶合，平衡時は移動相と固定相が同じ濃度になるように物液量が 60 mL となる。このとき，ビーカー内の 10 mL質量を決めるが，両相の体積が同じなので両相が同じ物

エリアにはそれぞれ 0.5 mmol の滴定剤に相当する 1 円質量になるようにカードを並べる。まず，1 段目では両硬貨 1/2 枚と 1.5 mmol の生成物質に相当する重ね硬貨

相に「1024」の 1/2 である「512」のカードをそれぞれ3 / 2 組が配置される。したがって， CB ＝ 0.05 mol / L,置く（図 8(1)）．移動相内のカードだけを 2 段目に移動

CAB ＝ 0.15 mol / L となる。なお，本シートの使用例はさせ（同( 2 )），各段でそれぞれ「 512 」の 1 / 2 であるYouTubeで一般公開されている12)。

「 256 」のカードを両相に置く（同( 3 )）。次に，移動相内にある 2 枚のカードを次段にそれぞれ移動させ（同図7450

段理論シミュレーションシート5)
ぶんせき  図8

溶質の移動に伴うカードの配置変化（ b＝KD＝1)5)( 4 )），各段で段内合計値の 1 / 2 数のカードをそれぞれの既製ソフトを用いても可能であるが，記号の位置合わ両相に置く（同( 5 )）。続いて，移動相内にある 3 枚のせが難しかったり，記号の大きさに対して文字が小さカードを次段にそれぞれ移動させ，2 および 3 段目は段く，フローチャート自体が大面積になったりすることがの 合 計値 に 相 当 す るカ ー ド を そ れ ぞ れ 置 い た 後 （ 同ある。ここでご紹介したテンプレートはグリッドで移動( 6 )），段内合計値の 1 / 2 数のカードを両相にそれぞれ位置が決まるので記号の位置合わせが比較的容易であ置く（同( 7 )）。最後に，移動相内にある 3 枚のカード

り，かつ判読できる文字の大きさでフローチャート自体を次段にそれぞれ移動させた後，2 および 4 段目は段のをコンパクトにまとめられる利点がある。一方，ボード合計値に相当するカードをそれぞれ置き（同( 8 )），合ゲーム型シミュレーション教材は抽出，滴定あるいはク計値の 1/2 数のカードを両相にそれぞれ置く（同(9)）。

ロマトグラフィーにおける物質収支，物質量分布や濃このシミュレーションでは，移動相と固定相に存在する度，あるいは相間の物質量比や濃度比などを限られた条溶質の物質量比から保持係数（k）が求められる。また，件ではあるが計算せずに求めることができる。したがっ移動相はカラム内では 1 段目から 5 段目まで 4 段移動て，計算で理解できる学生側にとっても計算の正誤を自していることになり，溶質は最も物質量が多い段数まで分で確認できる利点がある。教員側にとっても物質移動移動したとして，移動率（カラム内での移動相の移動距や化学反応による物質量や濃度変化などを一連の過程と離に対する溶質の移動距離比，R）が推算できる。例えして短時間で教授できる。また，シートを拡大印刷すれば b＝KD＝1（図 8(9)）の場合，両相の物質量比から kば対面授業のアクティブラーニングにも適用でき5) ，＝1 となる。また，移動相は 1 段目から 5 段目まで 4 段

Microsoft Powerpointなどのスライド背景にすればオ移動しているのに対し，溶質は 1 段目から最も物質量ンライン授業用教材としても使用できる。

が多い 3 段目まで 2 段移動しているとして R＝2/4＝1/2 となる。

4

お わ り に以上，分析化学実験フローチャート作成のための支援
教材と抽出，滴定および段理論を分子量の概念で理解す

これら教材の操作方法や操作の前提となるルール自体は難しくないため，大学だけではなく高校以下の教育課程でも利用できると考えられる。実際に教育現場で利用されることにより，化学量論を正しくイメージできる大学生や化学に興味を持った中・高校生が増えることを願う。

るためのボードゲーム型シミュレーション教材を紹介した。
フ ロ ー チ ャ ー ト 作 成 は Microsoft Powerpointな どぶんせき  文献1) 高大接続に関する調査，ベネッセ教育総合研究所（2014),451

https: // berd.benesse.jp / koutou / research / detail1.php?id＝4338（2021 年 2 月 27 日，最終確認）．
2) 中釜達朗：工学教育，62, 21 (2014).
3) 中釜達朗：工学教育，66, 89 (2018).
4) 中釜達朗，南澤宏明：工学教育，66, 68 (2018).
5) 中釜達朗：工学教育，68, 33 (2019).
6 ) 浅田誠一，内出 茂，小林基宏：“図解とフローチャートについて考えてみる https:// www.youtube.com/ watch?v＝EQDcYXqKxQI（2021 年 2 月 27 日，最終確認）．

12 ) YouTube, 1 円玉と 10 円玉で滴定におけるビーカー内の化学種の種類と濃度変化について考えてみる https: //www.youtube.com / watch?v ＝ xQy4iKwutXU （ 2021 年 2月 27 日，最終確認）．

中釜達朗（Tatsuro NAKAGAMA）（技報堂出版）．
による定量分析（第二版）”，（1998），

日本大学生産工学部応用分子化学科（〒7 ) 浅田誠一，内出 茂，小林基宏：“図解とフローチャート（技報堂出版）．
による定性分析（第二版）”，（1999），

275 8575 千葉県習志野市泉町 1 2 1 ）。

東京都立大学大学院工学研究科応用化学専

8) Dynamic Draw ホームページ https://dynamicdraw.com/
ja/（2021 年 2 月 27 日，最終確認）．

攻修士課程修了。工学（博士）。教育士（工学・技術）（日本工学教育協会）。≪現9) Dynamic Draw ライブラリー https://dynamicdraw.com/
ja/libraries/（2021 年 2 月 27 日，最終確認）．

在の研究テーマ≫環境調和型抽出・分離・検出システムおよび化学教育用教材の開10 ) YouTube ，化学実験フローチャート作成支援テンプレー
ト の 使 用 方 法 https: // www.youtube.com / watch?v ＝発。≪主な著書≫“基礎教育シリーズ

l7iEB3Z6Ax8（2021 年 2 月 27 日，最終確認）．

味≫素人短歌，将棋中継の視聴（観る将）。

11) YouTube，1 円玉で抽出率と分配比（分配係数）との関係

原稿募集

創案と開発欄の原稿を募集しています
内容：新しい分析方法・技術を創案したときの着想，くすることが望ましい。 4 ) 原稿は図表を含めて4000 ～ 8000 字（図・表は 1 枚 500 字に換算）とする。

新しい発見のきっかけ，新装置開発上の苦心と問題点解決の経緯などを述べたもの。但し，他誌に未発表のものに限ります。

◇採用の可否は編集委員会にご一任ください。原稿の送付および問い合わせは下記へお願いします。

執筆上の注意： 1) 会員の研究活動，技術の展開に参考になるよう，体験をなるべく具体的に述べる。
物語風でもよい。2 ) 従来の分析方法や装置の問〒141 0031

東京都品川区五反田 1 26 2

五反田サンハイツ 304 号

題点に触れ，記事中の創案や開発の意義，すな(公社)日本分析化学会「ぶんせき」編集委員会

わち主題の背景を分かりやすく説明する。 3) 図〔E mail : bunseki＠jsac.or.jp〕

や表，当時のスケッチなどを用いて理解しやす

452分析化学”，（東京教学社），（共著）。≪趣ぶんせき  