児童や生徒の金属に対する興味・関心を醸成するビスマス結晶づくり
後 藤 創 紀1) 布 村 一 興1
) 中 野 英 之2
) 仁 科 篤 弘.

は じめに.

大きなビスマス結晶をつくる

ビスマスは原子番号 83 の金属元素である．亜鉛とビスマ

中込(2) は，次に挙げる方法でビスマス結晶の作成を行っスを衝突させて形成される原子が，113番目の元素「ニホニた．直径 15 cm 程度のステンレス製ボウルにビスマスチッウム」として認定されたことは記憶に新しい．また，恒星内プを 15 個ほど入れ，加熱用ホットプレートで加熱する．次部の核反応では，中性子捕獲反応の一種である s プロセスにに，融解後に加熱用ホットプレートのスイッチを切り，溶融より，ビスマスまでの元素が形成されることもよく知られてしているビスマス表面に「島」のようなものが現れたらピンいる．さらに，ビスマスは化学的にも次のようなユニークなセットではさみ，真上に持ち上げる．持ち上げた「島」を溶 単体の融点が 544 K と低いこと，◯
特徴を有している◯

融しているビスマス表面から 3 cm ほど上で 10 秒ほど停止

 鉛と異なり毒性が銀程度凝固すると体積が増加すること，◯し，結晶が下方に成長するのを待つ．しかし，著者らが追試

 容易と低く，海外では整腸剤として使用されていること，◯を行ったところ，図(a)のように，2 cm 程度の結晶をつく

 結晶化するときに骸晶をつに過冷却状態が得られること，◯ることができる場合も見られるが，多くの場合，小さい結晶

 結晶を冷却していく過程で表面に構造色を呈すくること，◯しかつくることができなかった(図 1 ( b ) , ( c ))．この原因とる酸化膜が形成されること．

しては，「島」を引き上げるタイミングを見計ることや，「島」

ビスマス結晶がつくる幾何学的な骸晶とその構造色は美しをピンセットで持ち上げる操作そのものが難しいこと，ステいことで知られ，最近では『世界で一番美しい元素図鑑』(1)

ンレス製ボウル内におけるビスマス溶融体の深さが十分な結などに掲載されたことからなどからも人気が高まっている．

晶を成長させるほどに深くなかったことなどが考えられる．

ビスマスは，現在最も注目を集める金属元素の一つであろう．

そこで，著者らは，次に述べるように実験方法の改良を検討

ビスマスの結晶は，融点の低さや毒性の低さなどから，個することにした．

人でも比較的容易に作製が可能であり， Web 上で様々な試みが掲載されている．しかし，著者らは，後述するように，
Web 上の情報をもとに 1 方法を提示した中込(2) による先行事例を参考に試行を行ってみたが，必ずしも大きく美しいビスマス結晶を作成できるとは限らなかった．そこで，誰もが確実に大きく美しいビスマス結晶を作成できることを目指し，その方法を探索してきた．本稿では，大きく美しいビスマス結晶を得る方法を提示するとともに，小学生や教員・学生を対象に行ったビスマスの結晶づくりに関する教育実践か

図1

試作したビスマスの結晶．

ら，その教材としての可能性について検討を行った．
京都教育大学教育学部 1)大学生 2)准教授(〒6128522 京都市伏見区深草藤森町 1)
福島県伊達市立大石小学校教頭
An Education Progam of Making Bismuth Artificial Crystals Which Enhances Children's Interests and Concern in Metal; Soki Goto,Kazuoki Nunomura, Hideyuki Nakano, Atsuhiro Nishina(Kyoto University of Education, Kyoto. Date City Oishi ElementarySchool, Date)
Keywords: materials education, Bismuth, skeletal crystals, structural color, class practice
2016年11月29日受理[doi:10.2320/materia.56.291]

ま て り あ 第56巻 第 4 号(2017)
Materia Japan


実験方法の改良

大きな結晶を得るための工夫ある．その理由の解明については今後の課題としたい．


ビスマス結晶の色を制御する

ビスマス結晶に見られる構造色は酸化膜の厚さにより変化

まず，底部が窄まっている形状のボウルではなく，開口部する．取り出したビスマスの結晶は冷却していく過程で，金と底部の内径が等しい100円ショップで販売されているステ色から紫色，青色，空色，緑色の順番に変化していく．酸化

ンレス製の計量カップ( 200 mL)を用いることにした．同量膜の生成にはエネルギーが必要なため，温度が下がるとそれのビスマスチップを溶融させた際，ボウルを使用した場合よ以上の色の変化は起こらない．そこで，取り出したビスマスりも計量カップを使用した場合の方が，深い溶融深度が得ら結晶の酸化膜の厚さを変えることで人工的に色を決定できるれるだけでなく，ぐらつく心配も少なくなる．加熱の際にのではないかと考えた．その方法として以下の 2 つの仮説

は，加熱用ホットプレートではなく，安価で容易に入手でき 冷却中に酸素を封入した密閉空間を立て，実験を行った◯る高出力バーナーと通常の理科実験室にあるガスバーナーを

 冷却の途に結晶を入れることで酸化膜の生成を促進する，◯使用することにした．次に，ビスマス溶融体に結晶成長の核中で冷水につけ，酸化膜の生成を停止させることで，結晶のになるような浮子ものを浮かべれば，大きな結晶が得られる色を人為的に制御する．実験を行った結果，酸素雰囲気下でのではないかと考えた．そこで，針金をリング状，ルツボ

冷却しても，空気中で冷却した場合と異なる色の変化を観測状，コイル状，サンダル状などに加工したもの 6 種類をビ

 の実験において酸化膜することはできなかった．しかし，◯スマス溶融体に投入してみることにした(図( a )( f ))．針の生成を阻害し,色の変化を停止させることができた．

金に取っ手状のものがあればピンセットでも取り出しが容易

今回改良を行った実験方法を図に示す．実験に必要な器になると考え，加工の際に取っ手もつけた．6 種類の形状の具も図 5 に示した．ビスマスチップをステンレス製の計量針金を投入した結果を図 2 に示す．大きな結晶ができやす

カップに入れて加熱する際，三脚の上に金網を置き，その上い順から○，△，×で示している．実験の結果，サンダル状で加熱を行う．計量カップの底部はガスバーナーで，上部はに加工したもの(図 2 ( b ) ,( e ))をビスマス溶融体に投入する

高出力ガスバーナーを用いて加熱を行う．ビスマスが融解しと大きな結晶が得やすいことが分かった．また，中込(2)が提た際，表面に酸化膜が形成されるが，中込(2)が示したように示した方法では，ビスマスが溶融してビスマス結晶を取り出スプーンを用いて取り除き，アルミ缶に捨てるようにする．

すまでに要する時間については示されていなかった．試行錯

約420秒(約 7 分)程度経過した後に，ゼムクリップの取っ手誤を行ったところ，ビスマスが融解して浮子を投入後約420秒(約 7 分程度)経過する頃に針金を取り出すと，大きなビスマス結晶を得られやすいことが分かった．図 2(b )のように加工した針金を実験の度に準備することは大変である．そのため，身近なもので図 2(b )のような形状のものが他にないかと探索したところ，形状がゼムクリップに似ていることに気付き，図のようにゼムクリップを加工して取っ手をつけたものを投入することにした．その結果，図 2(b )を使用した場合と同様の結果を得ることができたため(図)，以後浮子としてゼムクリップを使用することにした．サンダル状の形状の浮子を用いると大きな結晶ができる理由について

図3

加工したゼムクリップ．

は，いくつかの理由は考えられるものの，現段階では不明で

図4
図2




溶融ビスマスに投入した 6 種類の金属浮子．

新たな方法で試作したビスマスの結晶．(オンラインカラー)

材 料 教 育表1

授業の流れ．

学 習 の 流 れ導入(5 分)

展開(35分)図5

ビスマス結晶の作成方法．

まとめ(5 分)準備

物

水の状態変化について
金属の鉄は融けるのか演示実験ビスマスチップを手にとらせる
演示実験を通して実験方法や注意点を説明する
この間，ビスマスチップと溶融したビスマスに電極を入れ，電気が流れることを確認する
全体実験

3 班分の実験セット(図 6 と同様のもの)
導線と豆電球，電池からなる自作テスター

今日の実験のまとめ
感想文の記入ワークシート

指導者 5 人が各班に入り指導を行うをピンセットでゆっくりと引き上げ，耐熱バット上にビスマスの結晶を取り出して色の変化を観察する． 10 秒程度の間に，金色，青紫色，空色とビスマスの結晶の色が変化する様子を観察することができる．ピンセットで結晶を引き上げる
際，安全のために耐火グローブを用いて結晶を引き上げるよ
うにする．図 5 のような作成方法で比較的安定して大きなビスマスの結晶を作成することができるようになった．

.

授 業実

践

ビスマスの結晶づくりは大変魅力的な活動であり，児童や生徒の金属に対する興味・関心を醸成するために有効に活用できるのではないかと考えた．また，ビスマスには前述のような多くのユニークな化学的な特徴を有していることから，

図6

授業実践の様子．

ビスマスの結晶づくりを通して化学分野の学習にもつなげることが期待できる．以下に，小学生と教員・学生を対象に行ったビスマスの結晶づくりの実践について報告し，教材とし球，電池からなる自作テスターを用いてビスマスチップと溶ての可能性について検討を行う．

融ビスマスの通電実験を行い，どちらも電気を通すことを確

小学校での授業実践

2016年 2 月18日に福島県伊達市内の小学校の児童 3・4 年生12名を対象にビスマスの結晶づくりの授業実践(1 時間)を認した．個別実験では 3 班に分かれてビスマスの結晶づくりを行った． 1 班につき， 1 ～ 2 名の指導者が入り指導を行った．授業の最後に，全体のまとめを行うとともに，ワークシートに感想文を書いてもらった．

行った．授業の流れを表に示す．この授業では，ビスマス授業は特に大きな問題もなく，時間内に全員がビスマスのの結晶をつくる活動そのものよりも，水以外の物質の状態変結晶を作成することができた(図)．金属の鉄は氷のように化に触れさせることを主な目的としている．小学校の理科で融けるのかという問いについては， 12 名中 1 名の児童が融は水以外の状態変化の例が示されることが殆どないため，状けると回答した．金属が融けるということは児童にとっては態変化が水以外の物質にも起こることを理解させるために日常生活の中では理解しにくいものであると言える．しかは，「金属を溶かす」という活動を取り入れることは有効でし，この点については著者の一人である中野が毎年同校におあると考えた．

いて行っているマグマの生成実験の影響があるのかもしれな導入として，まず水の状態変化についての説明を行い，金い．この実験はマサ土をステンレス製の容器に入れて七輪で属の鉄は氷のように融けるのかと児童に質問した．展開で加熱してマサ土を融かすものである．高温に耐えるステンレは，児童にビスマスチップを手に取らせた後に，演示実験をス製の容器を見ると，金属は融けないものと思ってしまうの通して実験方法や注意点について説明を行った．実験中，防も無理のないことのようにも思う．また，作製できたビスマ護メガネを必ず着用するよう指示を行うとともに，火傷へのス結晶は著者らが行ったものよりも小型のものが多い傾向が注意喚起を行った．ビスマスが融解した段階で，導線と豆電見られた．この原因としては，ゼムクリップを溶融ビスマス

ま て り あ 第56巻 第 4 号(2017)
Materia Japan

に浮かべてからの経過時間を正確に測定していなかったこと

ョップにて，現職教員・学生約 25 名を対象とした授業実践が原因として考えられる．

を行った．実践は，演示実験を行った後に，全体実験を行う

ワークシートに書かれた児童の感想文をフレーズごとに分という流れで行った．会場はガスバーナーのない施設であっ解し，項目ごとにまとめた結果を図に示す．数値は出現回たため，ガスバーナーの代わりにカセットコンロを使用し数を示している．特に関連性を考察する必要がある項目は線た．ワークショップは 25 名を 2 班に分かれて全体実験を行で結んである．

うことにした． 1 班あたりの参加者が 12 ～ 13 名であったた

活動前の状況に関しては，ビスマスの重さや結晶構造につめ，全員がビスマス結晶を作成するのに 2 時間を要した．

いて興味を示す記述が見られるとともに，火傷や作業の困難実践後に，大型のふせん紙を配布して自由に感想を記述してさなど実験に対する不安などの記述も見られた．

もらった．スタッフは指導者として 2 班にそれぞれ 3 名，活動中の状況については，色やその変化，結晶構造に「び計 6 名入った．

っくりした」，「きれい」，「すごい」という感想が多くみられワークショップは，ビスマスの結晶づくりを行うのは初めた． 12 名の児童に対してこうした感想が 20 件挙がったことての参加者が殆どであったためか，ビスマスを引き上げる際から，ビスマスの結晶そのものに感動した児童の多さを窺いには歓声が上がるなど，大変に盛り上がった(図)．班内の知ることができた．ビスマスの結晶づくりは，体験を通して連携も円滑で，完成後の受講者の達成感も高かった．同時児童の金属に対する興味・関心を醸成する教材として非常にに，活動を楽しむだけでなく，理科教員の立場から客観的に有用である．一方で，活動中も実験が怖いと述べている児童

本教材を考察しようという姿勢が伝わってきた．ゼムクリッもみられた．つくるのが大変だったという感想を述べた児童

プの形を更に改良したらどうなるか試行錯誤する班も見られも 4 名みられたが，そのうち 1 名は「小さいものしかできた．今回は，ゼムクリップを浮かべてから約420秒(約 7 分)なかったがまたやりたい」と述べるなど，失敗を肯定的にと程度経過した後にビスマスの結晶を引き上げたため，多くのらえていることが分かった．実験に不安を感じていた児童か参加者が大きなビスマス結晶を作成することに成功した．

らは，「細かい作業なのではないかと考えていたが，ただ固参加者のうち，感想文の提出のあった 19 名について，同まるのを待つだけだったので驚いた」，「火傷が心配だけれど様のアンケート分析を行った．図はその結果をまとめたも友達の活動を見ていてやりたくなった」，「きれいな結晶を見のである．感想はビスマスの結晶づくりに関する直接的な感て実験が怖くなくなった」といった感想が寄せられた．安全

想だけでなく，生徒実験としての利点や授業での活用，実践面での対策を十分に行うことは大前提であるが，簡便にきれ者への提案など多岐に渡った．

いな結晶を得られる活動に触れることで，実験に対する不安小学校での実践同様に，色やその変化の美しさに感動したを軽減できることが分かった．「なぜラーメンのどんぶりのというコメントが多く，簡便に安価で行えることに肯定的なような模様ができるのか」と活動を通して骸晶ができる理由コメントや，盛り上がる，大きな結晶がつくれてうれしいとについての疑問について記した児童も見られた．

いう感想が見られた．またやりたいという意見も見られ，参

現職教員・学生を対象とした授業実践

日本地学教育学会全国大会( 2016 年 10 月 9 日)のワークシ

加者の満足度の高い活動であることが分かった．構造色や骸晶構造ができる理由についての疑問や固まるタイミングが分からないといったコメントも寄せられた．
生徒実験としての利点を挙げたコメントも多く挙がった．
生徒と一緒に盛り上がることができることや，2 つと同じものができず，適度に失敗する点，見て美しいといった点が評価されたようである．ビスマスの結晶づくりは，体験を通し

図7




授業実践のアンケート分析．

図8

ワークショップの様子．

材 料 教 育性があるので注意が必要である．溶融が完了したら，耐熱性バットに計量カップを移して作業を行わせる等の対応を行うと転倒の危険を回避できるだろう．本実験は学校現場で行うには比較的取引コストの高い実験であると思われる． 30 ～40 人クラスで教員 1 人が対応する場合，現行の方法では演示実験に留めておくのが無難であろう．8 班程度の班編成にして個別に結晶を作成させる場合は，最低でも複数人の補助教員のサポートと，徹底的な安全指導が求められる．
ビスマスの結晶づくりは，学校現場で行うには上記のような課題が見られるものの，児童・生徒の金属への興味・関心を醸成させる点において非常に魅力的な教材である．岡本ら(3)は，生徒に地学事象の美しさを感じ取らせる指導が，地学事象に対する関心を高めるうえで重要な要因であるということを授業実践を通して検証した．学校教育では金属の性質については扱っても，金属の美しさについて言及されることはほとんどないように思われる．金属の美しさに触れる機会が学校教育の場にもっと設けられてもよいように思う．木浪(4)は，見て面白いものだけを取り上げる近年のパフォーマ
ンス的な理科実験を批判し，考えることの大切さを再認識させることの重要性を訴えている．ビスマスの結晶づくりは，体験して面白いだけでなく考える要素も豊富に具えていることを指摘しておきたい．
図9

ワークショップのアンケート分析．

前福島県伊達市立大石小学校校長の内山博行先生には，授業実践を行う機会を与えていただきました．同校の教職員かて学習者の金属に対する興味・関心を醸成する教材として非らは様々なアドバイスや励ましのお言葉をいただきました．

常に有用であることがワークショップからも窺い知ることがまた，京都教育大学の平川尚毅君，松村祥君，溝口倫明君，できた．

塚本胡美さん，今村智陽君，星野菜穂子さんには授業実践で実践者への提案としては，色空間の分析を行ってみたら良補助をしていただきました．本実践の一部は科学研究費補助

いなど，今後の教材研究に関する有益なコメントが多く寄せ金の支援を受けて行ったものです．これらの援助に謝意を表られたので，今後の研究に生かしてまいりたい．

します．

ワークショップでは小学校での実践同様に，活動前に不安文を感じている参加者も見られた．「自分にできるか不安であ献ったが，スタッフ 2 名に指導していただき結晶をつくることができ印象に残る活動となった」と記されていた．本実験
は大人でも実験に不安を抱く場合があるということは，中学校や高等学校での実践を検討する場合においても重要な示唆を与える．小学校での実践と同様，本活動の成功には十分な人員のスタッフの配置と丁寧な指導が重要であると思われる．

( 1 ) セオドア・グレイ世界で一番美しい元素図鑑，創元社，(2010)．
( 2 ) 中込 真化学と教育，63(2015), 346347.
( 3 ) 岡本弥彦，星加康昭，野山悦子，本郷泰洋地学教育， 58(2005), 199
213.
( 4 ) 木浪信之まてりあ，49(2010), 422425.
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

.

お わりに

本稿では，大きなビスマス結晶を得る一つの方法を提示す後藤創紀
2013 年 4 月京都教育大学教育学部理科領域専攻入学． 2017 年 3 月同卒業予定．同 4 月浪速高等学校・浪速中学校に奉職予定．化学分野を中心とした体験型実験・実習教材の開発をテーマに研究を行っている．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

るとともに，授業実践を通してその教材としての可能性を探った．本活動で最も注意しなければならない点は安全面である．実験に使用したステンレス製の計量カップはボウルに比べて三脚上で加熱を行っても安定性がよい．しかし，ピンセットを用いてビスマスを引き上げる際は，ピンセットを計量カップに接触させる等の理由で計量カップを転倒させる危険

ま て り あ 第56巻 第 4 号(2017)
Materia Japan

後藤創紀

布村一興

中野英之

仁科篤弘

