実験「金属の酸化」を成功させるために
中 学 校 理 科 に お い て 、金 属 を 酸 化 さ せ 、金 属 の 質 量 と 結 び 付 く 酸 素 の 質 量 と の 間 に 比 例
関 係 が あ る こ と を 調 べ る 実 験 は 、生 徒 に 厳 密 な 実 験 を 経 験 さ せ 、実 験 か ら 得 ら れ た 結 果を 考 察 す る 方 法 を 習 得 さ せ る 上 で 非 常 に 重 要 で あ る が 、理 論 値 と 大 き く 異 な っ た 結 果 となることが多い。
そ こ で 、授 業 時 間 内 で 理 論 値 に 近 い 結 果 が 得 ら れ る よ う な 実 験 方 法 を 検 討 し 、ま と め た 。
【実験の目的】金 属 を 酸 化 さ せ 、金 属 の 質 量 と 結 び 付 く 酸 素 の 質 量 と の 間 に 比 例 関 係 が あ る こ と を 調 べ 、生 徒 に 自 分 た ち の 実 験 か ら 得 ら れ た 結 果 を 考 察 さ せ 、金 属 の 酸 化 反 応 に お け る 量 的 関 係を見いださせる。
【実験方法の検討】
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銅粉の粒度（メッシュ）
200 メッシュと 300 メッシュ(昭和化学)の銅粉を加熱したときの酸化銅と銅の質量比の変化を示す。酸化銅と銅の質量比の理論値は 1.25 である。この結果より 300 メッシュの銅粉を使用すると短時間で理論値に近い結果を得ることができ、粒度の細かい銅粉を用いることが有効なことが分かった。
粒度の異なる銅粉を光学顕微鏡で観察すると、銅粉は球状ではなく、木の枝のような形をしていた。わずか 100 メッシュの違いで粒子の大きさが、かなり違うことがよく分かる。銅の酸化は、粒子表面の酸化になることから、粒子の小さいものを用いることで、表面積が増えて酸化しやすくなることが分かった。

２使用する銅粉の質量使用する銅粉の質量については教科書によって異なっている。使用する銅粉の質量を増やすと、酸化に時間がかかり、酸素と未反応の銅粉が増えてくることが考えられる。教科書に記述されている４ｇを上限として、授業時間内での実験に適切な質量を検討した。
酸化銅の質量を変えて実験したときの酸化銅と銅の質量比の変化を示した。
この結果より 15 分以内に理論値に近い質量比 1.24 になったのは 1.5ｇ以下の銅粉で実験したときであった。このことより、授業時間内で理論値に近い結果を得るには、1.5ｇ以下の銅粉を使用することが有効なことが分かった。

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加熱に使用する容器
多くの学校では、直径８cm のステンレス皿を使用しているが、ステンレス皿の深さは６mm と浅いため、教科書どおりにかき混ぜの操作を行うと、生徒が銅粉をこぼす可能性がある。そこで、深さのあるステンレス製の玉じゃくしを柄の部分で切断し、加熱容器に使用することも試みた。
加熱容器を変えて実験したときの酸化銅と銅の質量比の変化を示した。
この結果より、直径が６cm のステンレス皿と直径が 5.5cm の玉じゃくしを使用したときは、15分以内に理論値に近い質量比 1.24 になった。しかし、玉じゃくしはその形状から冷却に時間がかかるのでこの実験には適さないことが分かった。このことより、授業時間内で理論値に近い結果を得るには直径が６cm のステンレス皿を使用することが有効なことが分かった。

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加熱条件
この実験では、ガスバーナーの炎を最大火力にして加熱することが必要である。炎の最高温度が1320℃の時のステンレス皿の中央部と周辺部の表面温度をデジタルマルチメーターの熱電対で測定した結果を示した。

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この結果より、直径が６cm のステンレス皿と直径が 5．5cm の玉じゃくしのような小型の容器ほど高温になり、周辺部との温度差が尐ないことが分かった。この原因として、直径が大きいステンレス皿では、主に炎が当たるのは中央部だけであることが考えられる。
この実験では、質量が変化しなくなるまで加熱を繰り返し、また、冷却する時間も必要である。
そこで、１回の加熱時間を２分～４分、加熱回数を４～６回として実験を行った。すると、ステンレス皿が高温になるまでに２分は必要なことが分かった。50 分の授業時間のうち、実験時間を25 分として検討した結果、１回の加熱時間を４分、加熱回数を４回とすると、授業時間内で理論値に近くなることが分かった。
１回加熱するごとに、ステンレス皿を冷やしてから電子天秤で質量を測定するが、その冷却時間については教科書や指導書に記述がない。ステンレス皿を強熱して 600℃以上にした後、三角架上で冷却する方法と、金属製のスタンド上に置いて冷やす方法を試みた結果を示した。

この結果より、金属製のスタンドの上に置いて冷却すると２分後にステンレス皿の表面温度が33℃になり、生徒が安全に扱える温度になることが分かった。これは、金属が熱を伝えやすいので、ステンレス皿の熱が一気に金属製のスタンドに移ったためと考えられる。

教科書には、加熱後冷やしてから薬さじなどでかき混ぜて再び加熱するという記述がある。実際にかき混ぜてみると、注意していても、銅粉や酸化銅がこぼれたり飛散したりする可能性が大きく、誤差の大きな原因になることが分かった。このかき混ぜ操作には技術が必要であり、この実験を初めて行う生徒には無理であると判断した。６cm ステンレス皿を用いて 1.5ｇ以下の銅粉で実験すると、かき混ぜなくても理論値に近い値が得られる。このことより、この実験では尐量の銅粉をかき混ぜないで加熱する方が有効であることが分かった。

3５電子天秤の精度1.5ｇ以下の銅粉で実験する場合、質量を測定する電子天秤の精度が大きく影響する。１ｇの銅粉を酸化させる実験を 0.1ｇと 0.01ｇの精度の電子天秤で測定したときの結果を示した。
これより 0.01ｇの精度の電子天秤で実験する必要がある。

６マグネシウムの形状
マグネシウムには主に３種類の形状がある。教科書には粉末を使用した実験が記述されているが、その有効性を実験で確認した。
各学校には、高価ではあるが水溶液の実験でも使用するため、マグネシウムリボンがある。まず、紙ヤスリで表面を処理したマグネシウムリボンをステンレス皿上で加熱した。火がつくまでに約１分かかった。白い光と多量の酸化マグネシウムの煙を飛散させながら激しく反応した。このため質量が減尐し、正確な実験は行えないことが分かった。
また、削状を加熱すると、マグネシウムリボンより反応が穏やかであった。
次に、マグネシウム粉末を加熱してみると、最も早い 28 秒で火がついた。また、白い光や尐量の煙は出たものの、穏やかに反応することが分かった。さらに、加熱を続けると表面が盛り上がり、反応しているところは赤くなっていた。このことより、生徒は酸化の終わりが見極めやすい。総合して考えると、マグネシウム粉末の使用が有効なことが分かった。

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マグネシウムの質量
マグネシウム粉末の質量を変えて実験したときの酸化マグネシウムとマグネシウムの質量比の変化を示した。
この結果より、15 分以内に理論値に近い質量比1.66 になったのは、1.5ｇ以下のマグネシウム粉末で実験したときであった。このことより、授業時間内で理論値に近いデータを得るには 1.5ｇ以下のマグネシウム粉末を使用することが有効なことが分かった。

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窒化マグネシウムの生成
実験終了後の酸化物中には黄色の窒化マグネシウムが生成している場合がある。観察されたのは、質量を増やして実験したときや酸化マグネシウムの飛散を防ぐために金網をステンレス皿上に置いて実験したときである。いずれの場合も、酸素不足となったマグネシウムが空気中の窒素と化合し、窒化マグネシウムが生成したと考えられる。酸化マグネシウムが生成した場合、67％の質量増加が望まれるが、窒化マグネシウムが生成した場合、38％しか質量増加ししない｡
1.5ｇ以下のマグネシウム粉末で実験すると窒化マグネシウムは生成しないので、尐量での実験が有効である。

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金属粉末の保存方法
金属粉末は非常に酸化しやすく、新しく購入しても保存方法が悪いと酸化物になる。この金属粉末はこの単元だけで使用するので、１年に１回しか必要でない。
そこで、金属粉末を空気酸化から防ぐために、プラスチック製密閉容器内に化学カイロを入れて容器内の酸素の量を減尐させて保存する方法を考えた。

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実験成功のポイント
純度の高い状態で保存した銅粉やマグネシウム粉を下記の条件のもとで実験を行うと、質量比 銅：酸化銅＝４：５ マグネシウム：酸化マグネシウム＝３：５ の理論値に近い実験データが得られることが分かった。
ただし、「かき混ぜの操作」については慎重に取り扱いたい。

銅粉(300 メッシュ)の酸化マグネシウム粉末の酸化以上の検討したことをまとめると、金属の酸化による質量変化を効果的に行う実験方法は次のようになる。

金属の酸化における質量変化の実験での「成功のコツ」は、二つある。
一つは、教師が成功のための実験方法や留意点を知り、成功の環境を整えて実験することである。
もう一つは、厳密な実験に慣れていない生徒に、細かな全体指導や机間巡視により、正確でていねいな実験操作を行うよう指示することである。
銅の酸化による質量増加は 25％であるが、マグネシウムの酸化による質量増加は 67％である。尐
量の酸化であればマグネシウムの方が短時間で理論値に近づきやすいことも分かった。

愛媛県総合教育センターＨＰに掲載「金属の酸化反応における量的関係の指導法の検討」重松聖二
http://www.esnet.ed.jp/center/kenkyu/uploads/h19/h19_22-02.pdf
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