実践報告

中学理科におけるマイクロスケール実験の活用
京都教育大学教授

芝原１

はじめに寛泰ける代表的な実験の一つであり，実験器具とマイクロスケール実験は，環境問題に配慮しては，一般に，H型電解装置やホフマン型した化学として注目されているグリーンケミ電解装置が用いられる。しかし，この２つのストリーの概念を学校現場における理科電解装置には，電解質溶液である水酸化ナト実験に反映させることができる。マイクロス

リウム水溶液が多量に必要であり，また，液ケール実験の特徴として，だめとコックを同時に操作するのが難しいこ①従来の実験器具よりスケールを小さくすると，高価であることなど，幾つかの問題点が②試薬と経費の節減（省資源，省エネルギー）あり，個別の生徒実験として導入するのは困③実験廃棄物の少量化難である。

1,２）

個別の生徒実験として導入するためには，④試薬が少量で危険が少なく，事故防止に役簡単に，かつ大量に自作できる実験装置であ立つ⑤実験時間の短縮ることが望ましい。そこで，少量の試薬を使⑥１〜２人の個人実験が可能で，達成感が得い，短時間で電気分解を観察でき，また，気体発生量の体積比を定量的にとらえられるマられる

イクロスケール化した水の電気分解実験装置⑦理科実験室でなく，通常の教室でも実施がを紹介する。気体発生量を定量的にとらえる

可能

ことは，水分子を構成する原子の比や，化学⑧小・中学校では，専門外の教員でも指導・式で化学反応を考えるという観点からも重要実施が容易である。などがあげられる。
ここでは，中学校理科の教材として，「水の電気分解」「爆鳴気」「燃料電池の原理」「水溶液の性質」のマイクロスケール実験を，実践例を含めて紹介する。
２

水の電気分解水の電気分解は，中学校理科第１分野にお図１−8−３×４セルプレートとポリスポイト

【材料】
・３×４セルプレート（IWAKI，85mm×120mm，ウェルの直径約20mm，図１）
・ポリスポイト（アズワン，採血用，ポリエチレン製，長さ150mm，図１）２本・直径0.8mmステンレス線（ステンレス製まち針でもよい）２本
・電解質溶液（１mol/ −水酸化ナトリウム水溶液；４％水溶液に相当）
・電源装置（USBハブを利用，図2）

図２

図３

水の電気分解実験用ポリスポイト

図４

電気分解後の様子（右：−極側，左：＋極側）

USBハブを利用した電源装置

従来は，電源として直流安定化電源装置や乾電池を用いたが，生徒実験では個別に電源③電極を電源装置につなぎ，約５分間，直流装置が必要となってくるので，電源としてパ電圧を印加する。

ソコン用USBハブ（出力電圧約５Ｖ，最大出【実験結果と考察】

力電流２Ａ，図２）を利用している。USBハ

実験装置と実験後の様子を図４に示す。電ブは，常に安定した電圧が得られ，また，直極に直流電圧を印加した直後から，気体の発流安定化電源装置に比べて非常に安価であり生が観察できる。また，約10分間の電気分解３）容易に入手できる 。

により，発生する気体の体積比，水素：酸【実験方法】

素＝２：１を確認できる。USBハブを利用し①３×４セルプレートのウェルの一つに，１た電源装置による電圧値は約５Ｖ，電流値はmol/ −水酸化ナトリウム水溶液を約２m約10〜11mAを示す。なお，実験に必要な電入れる。

解質溶液の量は約10m である。これは，従②先端を約５mm残して切ったポリスポイト

来の水の電気分解実験に比べ，電解質溶液に１mol/ −水酸化ナトリウム水溶液を満（水酸化ナトリウム水溶液）の量が非常に少たしたら（気泡が入らないよう注意して入量である。また，短時間で実験結果が得られれる），①のウェルに立てる（図３，４）。

るので，実験時間の短縮の効果は大きい。
−9−

マイクロスケール実験による電気分解でち針でもよい）２本

も，電極材料を工夫すれば通常の実験と同様・電解質溶液（0.1mol/ −水酸化ナトリウに，電解質溶液に塩化ナトリウム水溶液，硫ム水溶液）

酸ナトリウム水溶液，塩化銅水溶液を用いる・洗剤液（水にごく少量の台所用洗剤を混ぜことも可能である。また，塩素が発生する場

る）

合には食紅などの色素を，中性の溶液には指・電源装置（USBハブを利用）

示薬を加え，電極で起こる反応と溶液の色の・点火用ライター変化を観察することも可能である。

【実験方法】

図４の実験装置の形は，実は，ファラデー①図６のように電極をの『ろうそく物語』に登場する実験装置 と差し込んだポリスポ類似している（図５）。約200年前にファラデ

イトに，0.1mol/ −ーが子どもたちのための演示実験に用いた実

水酸化ナトリウム水験装置をマイクロスケール化したといえる。

溶液を約３m 入れ４）る（ポリスポイトいっぱいに入れないで，８分目まで入れる）。
②ウェルセルプレートのＢのウェルに洗剤液を入れる（図７）。
③①のポリスポイトをＡのウェルにセットする。
④ ポリスポイトを曲図５

ファラデー『ろうそく物語』に登場する水の電解げ，先端をＢのセル

図６につける（図７）。

んだポリスポイト

電極を差し込装置４）３ 水の電気分解で発生した水素と酸素の混合気体（爆鳴気）の燃焼実験
ポリスポイトを利用した爆鳴気の実験方法
は，中国杭州師範学院教授N.H.Zhou（周寧懐）による５）。マイクロスケール実験のデモンストレーションによく用いられる方法である。水の電気分解で発生した爆鳴気といわれる体積比２：１の水素と酸素の混合気体に点図７

火すると，爆発的に反応する。

爆鳴気の実験

⑤電極どうしが接触し，ショートしていない【材料】

ことを確認したあと，電極を電源装置につ・３×４セルプレート（前出）なぎ直流電圧を印加する。

・ポリスポイト（前出）１本⑥Ｂのウェルにたまった，気体を閉じ込めた・直径0.8mmステンレス線（ステンレス製ま

洗剤液の泡に点火する。
−10−

【実験結果と考察】【実験方法】

電極に直流電圧を印加した直後から，気体①以下の方法でインジゴカーミン溶液を調整の発生が確認できる。また，ポリスポイト内する。に発生した気体は洗剤液入りのウェルに集ま・蒸留水200m にインジゴカーミン0.025gとり，小さな石けん泡が多数できる。ウェルの炭酸水素ナトリウム0.05gを完全に溶かす

表面を覆う程度に石けん泡が発生したところ（以下これをインジゴカーミン溶液とする）。

で，泡にライターの火を近づけ点火すると，・インジゴカーミン溶液に0.25％−ハイドロ乾いた大きな音（爆鳴気特有の爆発音）がすサルファイトナトリウム水溶液を加え還元る。発生直後の気体は大半がポリスポイト内する（インジゴカーミン溶液は青色を呈しの空気であり，しばらくしてから爆鳴気となている。溶液の色が黄色になるまで少しずることに注意する。

つ0.25％−ハイドロサルファイトナトリウ

本実験は，マイクロスケール化しても爆発

ム水溶液を加える）。

的な化学反応は従来どおり起こり，十分に大②３×４セルプレートの一つのウェルに，イきな音がするので，実験のインパクトを失わンジゴカーミン溶液を満たす。

ない。また，マイクロスケール化により実験③電極どうしが接触しないようインジゴカー器具が簡略化され，実験の準備や操作も簡単ミン溶液につける。になり，実験時間が大幅に短縮できる。さら④電極を電源装置につなぎ，直流電圧約５Ｖに，大きな爆発による危険も避けられる。筆を印加する。

者も周寧懐教授による本実験のデモンストレ【実験結果と考察】
電極に直流電圧を印加した直後から，気体ーションに感動した一人である。の発生が確認できる。また，＋極側で，酸素４ インジゴカーミン溶液による酸素の同の発生に伴い電極の周囲のインジゴカーミン

定実験溶液が酸化され，徐々に青色へと変色する。

水の電気分解により生じた酸素の気体の同インジゴカーミン溶液にハイドロサルファ

３）

定法について以下に述べる 。

イトナトリウム水溶液を加えるのは，可逆的インジゴカーミン溶液は酸化還元指示薬のに還元させるためである。ハイドロサルファ一種である。強力な還元剤によって還元されイトナトリウムは，湿った状態や水溶液の場た状態のものは，無色のロイコ酸となり，酸合は，いずれも酸素をよく吸収して亜硫酸水素によって酸化され青色に変色する。これを素塩と硫酸水素塩になる。この状態では，空利用し，電気分解で発生した酸素の同定実験気から遮断して保存しておいても分解するたを行うことができる。

め，実験の直前に調製しなければならない。
実験中，インジゴカーミン溶液の色が変化【材料】・蒸留水 200m

しない場合は，インジゴカーミン溶液を少し・インジゴカーミン 0.025gずつ加える。また，実験机の表面が黒色の場

・炭酸水素ナトリウム 0.05g

合は，変色の状態（青色へ変化）がわかりに・0.25％−ハイドロサルファイトナトリウムくいので，ウェルの下に白色の紙を敷いて実水溶液験するとよい。

・３×４セルプレート（前出）
５・ステンレス製まち針（電極用）２本・電源装置（USBハブを利用）

燃料電池の原理を学ぶ実験

水の電気分解により得られた水素と酸素の−11−混合気体を直接に反応させると，２の実験のように爆発的な反応とともに，大きな熱エネルギーが放出されることがわかった。反応式
で表すと，
２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏとなり，このとき，水18gにつき237kJの発熱がある。ところが，電子とイオンを仲立ちにして徐々に反応させ，熱エネルギーのかわ
図９りに電気エネルギーを取り出し，さらに生成実験装置の全体図

物として水を得る方法がある。以下に示す実験方法は，燃料電池の原理を学ぶための教材⑤数分間電気分解を行ったあと，電極から電実験であるが，現在，注目を浴びている，燃源装置をはずして電子メロディーに接続す料電池の開発における初期のころに考案される（図10）。

６,７）

た方法に類似している 。
【材料】
・３×４セルプレート（前出）・ポリスポイト（前出）２本・鉛筆の芯を利用した炭素電極（２Ｂの鉛筆をガスバーナーで加熱し，炭化させて取り出す。ホルダー芯でもよい）２本
・電解質溶液（1mol/ −水酸化ナトリウム水溶液）
・電源装置（USBハブを利用）

図10

電子メロディーに接続

・電子メロディー
【実験結果と考察】【実験方法】①２で使用した１mol/ −約３分間の充電（水の電気分解）で約1.7Ｖ水酸化ナトリウム水溶液の起電力があり，電子メロディーであれば約を再利用する。

５分間は動作する。反応は次のように考えられる６,７）。

②３×４セルプレートのウェルの一つに，１mol/電解質溶液として水酸化ナトリウム水溶液−水酸化ナトリウム水溶を用いているので，図10の酸素側（電池とし液を約２m 入れる。ては＋極）で，③図８のように加工したポＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ

リスポイトに，１mol/−−−水酸化ナトリウム水溶の還元反応が起こり，さらにＯＨ は，電解液を満たす。

質溶液を通り水素側（−極）に移動する。−極では，④ 電極を電源装置につなぎ，直流電圧を印加する。
（図９）

図８ 燃料電池用
ポリスポイトと電極−

２ＯＨ ＋Ｈ２→２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−−12−の反応が起こり，水を生成するだけでなく，リの水溶液を用いた実験・観察を行い，それ酸化反応でできた電子は，つながれた導線をらに共通する性質を見いだすこと，また，酸通って＋極に送られる。この電子は，前述のとアルカリを混ぜるとそれぞれの性質が打ち酸素側の電極で還元反応に使われる。回路の消されることや，塩が生成することを取り扱中を電子が流れると，電気エネルギーとしてう。

エネルギーを取り出せることになる。本実験

ここで紹介するマイクロスケール実験でで用いた炭素電極の表面に吸着した酸素，水は，４×６セルプレートに６種類の水溶液を素の気体（あるいは活性状態にある酸素，水入れ，それぞれに３種類の指示薬を加えて反素）が関与して，電気分解とは逆の酸化・還応をみる実験，さらに６種類の水溶液にマグ元反応が起こっていると考えられる。

ネシウムリボンの小片を入れ，気体の発生のなお，白金線による電極を用いて同じよう有無を観察する実験を取り上げる。また，生な実験を行ったが，処理をしていないので効徒の興味や関心を高める工夫として，身のま率がよくないものの，同じ結果が得られてわりにある身近な水溶液を用いて，その性質いる。教材実験としては，炭素電極が適当でを調べる実験も可能である。セルプレートをある。

用いると24種類の反応を一度に比較でき，色８）

もし，電解質溶液として希硫酸を用いると，の変化も相対的に観察できる利点がある 。

まず水素側で，以下に，指示薬を使って，酸性・アルカリ性の水溶液の性質を調べる実験を紹介する。

Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−【材料】の酸化反応が起こり，水素イオンＨ は電解・４×６セルプレート

質溶液を通って酸素側に移動するが，電子は・点眼びんに入った水溶液（６種類）導線を通じて酸素側の電極にわたされる。酸・指示薬（BTB溶液，フェノールフタレイン＋素側の電極では，導線からの電子と水素イオ

溶液，ムラサキキャベツ抽出液）

ンＨ が酸素と反応して，・マグネシウムリボン＋・ピンセット

Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ

・リトマス紙（赤・青）となり，水が生成し同時に電気エネルギーも【実験方法】（次頁図11参照）取り出せる。水素ガスを燃料とする燃料電池①Ａ１，Ｂ１，Ｃ１に，希塩酸を約20滴ずつの基本原理になる。

加える。

現在，実用化されている燃料電池は，水素②Ａ２，Ｂ２，Ｃ２に，希硫酸を約20滴ずつガスを燃料として空気中の酸素と反応させて加える。

おり，また，このほかに，電極材料と構造，電解質材料などにさまざまな工夫がされてい③Ａ３，Ｂ３，Ｃ３に，塩化ナトリウム水溶液を約20滴ずつ加える。

る。本実験は，水の電気分解の逆反応を応用④Ａ４，Ｂ４，Ｃ４に，水酸化ナトリウム水したエネルギー変換の教材実験として用いる溶液を約20滴ずつ加える。

ことができる。

⑤Ａ５，Ｂ５，Ｃ５に，水酸化バリウム水溶液を約20滴ずつ加える。

６

水溶液の性質⑥Ａ６，Ｂ６，Ｃ６に，アンモニア水を約20

中学校理科で学習する「酸性・アルカリ性滴ずつ加える。の水溶液の性質」では，幾つかの酸やアルカ⑦Ａ行にBTB溶液を１滴加え，変化を見る。
−13−

図11

セルプレート上の各溶液の配置と実験結果マにして，京都教育大学附属京都中学校にお⑧Ｂ行にフェノールフタレイン溶液を１滴加３）いて授業実践を行った 。実験は２人１組でえ，変化を見る。
⑨Ｃ行にムラサキキャベツ抽出液を数滴加行った。また，マイクロスケール実験では，え，変化を見る（色の変化がわかるまで実験操作および観察時に，実験器具に顔を近加える）。

づけることがある。マイクロスケール実験で⑩Ａ行にマグネシウムリボンを一片入れ，変使用する試薬は少量であるが，それらが飛散化を調べる（ピンセットを使って入れる）。

して目に入るという危険も十分予想されるの⑪リトマス紙を使って，それぞれの溶液を調で，実験中は必ず，安全眼鏡を装着するようべる（リトマス紙は，ウェルのふたに並指導した。実験に必要な器具および試薬は，べておく）。

すべて透明なケースに入れ実験キット（図12）とした。実験キットはグループ数用意した。

【実験結果】
実験結果を図11に示す。各水溶液の指示薬

これにより，実験の準備やあと片づけが簡単の変化を１つのセルプレート上で確認，またになり，実験時間の短縮につながった。

比較することができ，学習効果は高い。マグ
ネシウムリボンとの反応は，酸性溶液（希塩酸，希硫酸）であれば，金属表面で気体の発生を確認することができる。
Ｄ１〜６には身近な水溶液を入れ，ＢＴＢ溶液などの指示薬との反応を観察し，水溶液の性質を調べることも可能である。指示薬を選択すれば小学校の理科実験にも応用できる。
７

授業実践の例

２および３で述べたマイクロスケール実験「水の電気分解」「爆鳴気の反応」をテー

図12−14−

実験キット

以下に授業実践報告を示す。

が演示を行い，点火する際の泡の量について【授業の概要】の指導を徹底した。生徒に点火作業をさせる①日時 平成17年６月22日（水）際は，この実験は短時間で繰り返し行うこと

第５校時，第６校時（13:15〜15:00）ができるため，たとえ実験に失敗したとして②場所 京都教育大学附属京都中学校も，その原因を生徒自身が探り，再度実験す③対象授業および生徒 第２・第３学年混合ることができた。図13に授業の様子を示す。

選択理科講座（理科サイエンス）④授業内容 水の電気分解と爆鳴気の反応【対象生徒について】
選択理科講座の受講生徒35名のうち，約が２年生である。水の電気分解は第１分野「化学変化と原子，分子」の単元で扱われる内容であり，この単元が未履修である２年生にとっては，今回が初めての学習となる。そこで，水の電気分解だけでなく，化学変化における物質の変化や量的な関係についても未履修である２年生のため，物質は原子や分子

図13

混合気体に点火する生徒からできていることや，元素記号で表すという基礎的な内容から授業を展開した。３年生

授業後に行ったアンケートによると，マイにとっては，既に学習した単元であり復習的クロスケール化した実験装置，実験器具につな内容となるが，少人数グループ（２人１組）いて83％の生徒が使いやすいと回答した。までの実験は今回が初めてである。

た，実験結果のわかりやすさについても89％

授業展開の詳しい内容については引用文献の生徒がわかりやすいと回答した。マイクロ３）に報告している。

スケール化した実験装置は，従来の実験装置【授業のまとめ】に比べ小型であることから使いにくさが指摘

水の電気分解で発生する気体の体積比を確されると予想したが，マイクロスケール実験

かめる実験では，17グループすべてにおいて，に慣れていない生徒にとっても使いやすいも約10分間の電気分解で，水素：酸素＝２：１ののであり，実験中の観察にも支障はないこと実験結果が得られた。−極側の気体の発生量がわかった。

が＋極側に比べて多いこと，発生の様子も＋安全眼鏡の装着については，「違和感があ極側に比べ−極側のほうが激しいことを実験「普段の理科の実験でもかけていない」
る」

プリントに書き込む生徒も多く見られた。という理由から，かけたくないと回答した生混合気体の反応実験では，電極どうしが接徒が34％見られた。これらは，実験時に安全触することによりショートが起こっているグ

眼鏡を装着する習慣がないためと推測できループがあったが，電極の接触を解消するとる。安全眼鏡の装着は，マイクロスケール実すぐに気体が発生した。また，一度目の点火

験に限らず，あらゆる実験において徹底したでは爆発音がしなかったことから，｢泡の中いものである。に空気が多い場合はプチプチという音しかし実験に対しては，66％の生徒が集中できたない｣と考察している生徒もいた。気体を閉と回答した。今回の授業については，91％のじ込めた泡に点火するときは，まずは指導者生徒が理解できたと回答した。これは，水の−15−電気分解について既に学習している３年生の２）Paul T. Anastas，John C.Warner，科100％と，今回が初めての学習となった２年

学技術戦略推進機構訳編，渡辺正，北島昌生の86％との総計である。

夫訳：グリーンケミストリー，日本化学会，
1999

マイクロスケール実験の取り組みについてアンケート調査したところ，91％の生徒がよ

３）坂東舞，川本公二，土田弘幸，芝原寛いと評価した。また，｢一人一人が丁寧にで泰：マイクロスケール実験による水の電気分きるからよいと思う｣（３年生），｢片づけや解実験の定量化，京都教育大学教育実践研究

すい。少人数で実験ができ楽しかった｣（３紀要，第６号，25 -34，2005

年生），「たくさんの人数ですると見ているだ

４）ファラデー，白井俊明訳：ろうそく物語，けの人ができるが，２人１組だと集中できる

法政大学出版局，1976

し，この実験内容も非常に面白かったし，興５）N.H.Zhou：Microscale Inorganic

味をもてた」（２年生）という感想があった。

Chemistry，Science Press，2000
６）小久見善八編著：電気化学，オーム社，

８

まとめ

2003
７）高橋武彦：燃料電池，化学One Point，共

マイクロスケール実験を用いると実験グループの人数を少なくすることができ，生徒の立出版，2002

授業への参加意識を高めることにより，積極

８）坂東舞，芝原寛泰：マイクロスケール実的な取り組みが期待できる。また，マイクロ験による中和反応の定量的測定，日本理科教

スケール実験は，単にグリーンケミストリー

育学会全国大会発表論文集，153，2006の観点からだけではなく，生徒実験における本来の目標を達成するという観点からも大変参考有用であるといえる。

マイクロスケール実験に関する実例は，『中学校学習指導要領（平成10年12月）解

荻野和子編：マイクロスケール化学実験−化説−理科編−』の112ページには，「ミクロス

学と教育：マイクロスケール実験の広場かケールの実験など使用する薬品の量をできるら−，日本化学会，2003

限り少なくした実験の機会を適宜設ける」とに詳しい。また，マイクロスケール実験研究記され，本稿で紹介したマイクロスケール実グループのホームページ

験と同じ趣旨をもつ実験を推奨している。教http://science.icu.ac.jp/MCE/育現場での普及が望まれる。にさまざまな情報が掲載されている。

なお，中和反応および塩化銅水溶液の電気分解を扱ったマイクロスケール実験について

本研究は科研費（特定領域研究課題番号

は，下記の筆者のホームページに掲載の予定

17011005，代表者 荻野和子，萌芽研究課題である。

番号18650232，代表者 芝原寛泰）により実

http://natsci.kyokyo-u.ac.jp/˜shiba/施された。なお，紹介した教材開発は，京都

microscale/msHirobaOPEN.html

教育大学大学院生坂東舞の協力を得て行ったことを付記します。

引用文献１）荻野和子：スモールスケール化学実験のすすめ−学園におけるグリーンケミストリ
ー−，化学と教育，46，516 - 517，1998−16−