下中科学研究助成金取得者研究発表

研究発表⼀覧は下記からご覧いただけます。
https://www.shimonaka.or.jp/3s-grant-contest/

蒸気圧を実感する実験群の開発と普及
立命館慶祥高等学校
杉山 剛英
１

はじめに気体の法則に関わる分野は、多くの生徒が苦手とするところである。その例として、蒸気圧曲線が右肩上がりなのに、シャルルの法則では傾きが一定であったり、液体が共存する場合の気体圧力と、気体だけの場合の圧力の考え方の違いがつかめないことがあげられる。本実験は、蒸気圧の存在や大気圧との関係をはっきり見て解るものとして生徒に体験させられる実験であり、模試や入試問題でも得点率の向上が期待できるものである。
２．実験内容写真１

シリカゲルを入れたガラス瓶

写真２

わずかに凹んだラップ(1)見て解る水蒸気の存在
実験器具

ガラス瓶、シリカゲル、ラップ（写真１）
水の蒸発は最も身近な蒸気圧の教材である。25℃の大気には、最大で32hPa の水蒸気が存在できる。生徒に、１気圧の元で体積としては何％に相当するかと質問し（大抵すぐには答えが出てこない）、アボガドロの法則、分圧の法則から気体の分子数と圧力、体積は比例することを再誘導し、約３％という答えを引き出す。実験としては、ガラス瓶にシリカゲルを50mL 程入れ、サランラップでしっかり封をし（両手で押さえ続ける）、３回振るとラップが凹んでいるのが観察される。生徒のレベルに応じて、道具だけ渡して実験方法を考えさせるのも効果的である。
ラップの凹みは少ないが、斜めから見る(2)圧力と体積変化でブタンを凝縮・蒸発
実験器具 50mL ディスポーサブル注射器
ゴム栓と解る（写真２）。

ブタンガスを50ｍＬディスポーサブル
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41 −

注射器にいれ、５気圧以上の力を加えるには変化は見られない。と液化する（写真３）。液体化できたとこ

実験器に気圧計（写真４）を入れ、減圧ろで、ゆっくりピストンを戻すようにすしていく。700hPa 程で突然気体が発生し、ると液体が減っていく。よくある演習問ピストンが伸びるのがわかる。教科書にあ題を再現でき、液体共存時は蒸気圧一定るグラフの意味がしっかりつかめる。予め、ということもある程度体感できる。

予想させるのも効果的である（写真５～９）
。

写真４

写真３

付属の600hPaまで計れる気圧計

壁面に液化したブタン(3)外気圧を変化させて蒸気の発生を見る
実験器具 大気圧実験器（ケニス）
５ mL ガラス注射器
ケニスの大気圧実験器に、付属のシリコンゴム栓をして1mL 程のジエチルエ ーテルを入れた注射器を置く。ジエチルエーテルは、25℃で700hPa の蒸気圧があるが、大気圧に負けているため注射器のピストン−- 4242 −写真５

エーテルにシリコンゴム栓を沈める

写真８ 注射器、気圧計を入れ減圧する
写真６

注射器内の空気を出来るだけ追い出して１mL程のエーテルを吸い込む

写真９ 700hPaになると突然沸騰し、射器のピストンが飛び出す
写真７

エーテルを入れた注射器

ピストンが飛び出した後、容器に空気を(3)の実験は外圧を変化させて、蒸気圧を入れるとピストンはすぐに戻る。再び、減観察したが、ここでは温度を変化させて蒸圧すれば同様の変化が繰り返し見られ、よ気圧が大気圧と同じになった瞬間の変化をり深い理解が得られる。

観察する。
対角が45cm 程の角型水槽に水を入れ、40(4)ジエチルエーテルの沸騰と大気圧の関係

cm 試験管に水を満たして倒立固定する。

実験器具 40cm試験管（直径18mm，800円）

駒込ピペットで2mL 程のジエチルエーテル水槽、スタンド、ビーカー、駒込ピペットを試験管の口からゆっくり入れる。水にあ−- 4343 −まり溶けず、軽いため試験管上部にたまる。
（教員が用意しておいても良い）
そこに、水道水、30℃、40℃の水を順にかける。生徒にはあらかじめどうなるか予想させる。
沸点が34℃なので、それ以上の温度にしないと大気圧には勝てない。水道水、30℃水では変化はないが、40℃水をかけると一気に気体が発生し、試験管内の水面が急激に下がる。また、水をかけると蒸気圧は大気圧を下回るため、水面は一気に上昇する。
この変化は劇的で生徒は大いに感動する。
40cm 試験官を使うと変動が大きく観察できるので感動が増す。通常の試験管でもできるが、すぐに試験管の下端に到達するため、初見の生徒は水をかけるタイミングを逸してしまうことが多い。ただし、水槽の水で冷却されるため、エーテルが漏れ出すことはない。何度も繰り返せるので、沸騰のしくみを大気圧と連動して会得することが出来る。また、よく観察すると、冷却して水
写真1040cm試験管と水槽面が上がるときに凝縮熱が発生し、エーテル層が沸騰している様子も観察できる（写真10～13）。

写真11

40℃の湯をかけると液面がぐんぐん下がる
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写真12

沸騰が観察できる

となる。実際は気温のわずかな差でも蒸気圧の変動が大きいため、ぴったり計算通りとはならないが、概ね良い値を示す。
実際に行うと、注射器から空気を５ mLしか入れていない段階でメスシリンダー内の気体は17mL 程になり、生徒は大変驚く。
こうなる理由を尋ねても、なかなか正解は得られないが、シリンダー内のエーテルの分圧と空気の分圧を考えさせると正解に達する生徒が出始める。さらに質問として、空気とジエチルエーテルの体積は何 mL かと聞くと良い。47mL と67mL という答えがよくあるが、ここで混合気体の体積と圧力を考えさせると良い。空気は0.30atm で67mL，エーテルは0.70atm で67mL である。
また、Ａのメスシリンダーに２滴ほどのエ写真13

水をかけると一気に液面上昇ーテルを入れたらどうなるか。また、３mL 程入れたらどうなるかを考えさせ、実(5)ジエチルエーテルの蒸気圧と大気の分圧の関係
実験器具際にやってみるとよい。２滴ほどでは気液平衡とならず、すべて蒸発しわずかな増加

100mL メスシリンダー２本しか観察できない。３ｍＬ程入れると気液スタンド、ホース付き注射器平衡になるので、時間はかかるが、Ｂのメ水槽、駒込ピペット

スシリンダーと同様に67mL まで水面は下がっていく。

100mL メスシリンダーを水で満たし、倒ここで、Ｂのメスシリンダーは一気に気立固定する。２本用意し、左をＡ，右をＢ

体体積が67mL になっていくが、Ａは30分とする。

ほどかかる。この理由は、Ａは空気が連続メスシリンダーＡにホース付き注射器かして注入されエーテル蒸気と混ざり合いなら空気を20mL 入れる。当然、20mL の空気

がらシリンダー内にただちに拡散されるが、が入ったままになる。メスシリンダーＢに３Ａは界面でゆっくり蒸発し、拡散してシリmL 程のジエチルエーテルを駒込ピペットンダー内に行き渡る時間が必要なためと考で注入する。（教員がやっておいても良い）

えられる（写真14～16）。

Ｂにホース付き注射器で20mL の空気を入れるとどうなるかを生徒に予想させる。
しかし、この時点で正解に達する生徒はほとんどいない。空気を入れると、25℃の場
合、ジエチルエーテルの蒸気圧が0.70atm
なので、空気は0.30atm の分圧であればよい。つまり体積は20×3.33＝66.6≒67mL−- 4545 −写真14

Ｂに空気を９mL入れたところ

写真16

Ａに３mLのエーテルを入れて10分たったところ

７月記述模試では、平均偏差値70を取っており、実験による実物学習が受験学力も伸ばしていると考えている。本物の力は、本物によってしか育まれないことを銘記して日々の授業に当たっている。

写真15

Ｂに空気を20mL入れたところ

３．まとめ
平衡、気体の分野はイメージがつかみ難く、グラフ問題は特に生徒が苦手としている分野である。しかし、逆に言えばここを制覇すれば、差をつける得点源となる領域【参考文献】である。苦手こそ、避けずに克服する姿勢

１．後飯塚由香里「蒸気圧を見せる」（平成が合格を呼び込む。手軽な器具を使った実

24年度全国理科教育大会＜北海道＞験で、生徒の思考を助けることができる教研究発布翁論文集）ｐ150

材である。

２．沖杉誠一「断熱圧縮」（左巻建男・滝川

本校特進クラスでの理系化学は、３年間で30回の実験を行っている。高校３年生の−
- 46
46 −

洋二編著「たのしくわかる物理実験事典」・東京書籍）1998

ｐ256

＜著書＞
2000年

「どきどき化学なるほど実験」（単著・裳華房）

2002年「おもしろ実験・ものづくり辞典」（共著・東京書籍）

2003年「ニューサポート新編化学Ⅰ」（共著・東京書籍）

2006年

杉山 剛英先生（すぎやま よしひで）
よしひで）
（すぎやま

「わかる！なるほど理科実験」（編著・裳華房）

2010年「化学反応式・スーパー暗記法」（共著、受験研究社）

2011年

＜略歴＞

（共著、受験研究社）

1959年

北海道生まれ

1982年

静岡大学理学部化学科無機分析

同「トレーニングノート化学Ⅰ」（共著、受験研究社）

専 攻卒業
同

「高校入試五科の総まとめ」

北海道鵡川高等学校 教諭

1988年

札幌篠路高等学校教諭

1996年

札幌星園高等学校教諭＜研究歴＞（抜粋）
1984年

2000～2002年（日本理化学協会全国大会）

北海道教育大学札幌校非常勤講師
1988年

兼務パソコンによる火星の逆行順行ファンタビジョンを用いた酵素・2001年

札幌旭丘高等学校

教諭

触媒反応の視覚化

2012年

立命館慶祥高等学校

マイスター教諭（北理研全道大会）
1994年

現在に至る

修学旅行で慣性力実習（日本理化学協会全国大会）

1996年（北理研全道大会）

＜受賞歴＞
1984年

パソコンソフトコンテスト特別賞

2000年
2003年

全国教職員発明考案入選

同

衛星の運動の教材化（日本理化学協会全国大会）（内田洋行）
2000年

注射器で気体の性質を知る（北理研全道大会）（内田洋行）
1997年

過冷却食塩水の結晶化「HB 彗星軌道図作成実習」で東2007年

ミジンコ抽出液でヒドラの捕食行

レ理科教育賞 本賞

動を観察する「音源定位実験」で東レ理科教育（北理研全道大会）

賞 本賞
2006年

化学教育有功賞（日本化学会）

2013年

科学教育貢献表彰

2008年

中和で作る瞬間セッケン（北理研全道大会）

2010年

サハラ砂漠の砂の鉄分（北理研全道大会）（北海道科学文化協会）−- 47
47 −2015年

実験力で得点力を養う授業

2017年

見て解る蒸気圧実験（高教研全道大会）（北理研全道大会）
2003年～2006年
教育情報共有化促進モデル事業（文部科学省委託事業）北海道地区実行委員会代表
研究主題：実験ダイジェストビデ
オの普及
ＨＰ「杉山剛英の科学実践」開設
http://barkhorn. web.fc2.com/＜勤務校＞
立命館慶祥高等学校〒069-0832

北海道江別市西野幌640－１
電話

011-381-8888−- 48
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