水溶液、気体の単元の教え方｜掲示板スレッド

中学受験です さんへ:
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> まずは各物質（二酸化○○の気体や液体、金属名）の特性やイメージもつかめてないのでまずは　そこからでしょうか。　身近な例でこれらの助けになるものがあればまた教えて下さい。


とりあえずお子様とアイスクリームを買いに行きましょう。ドライアイスを入れてくれるお店で。
家に着いたら、とりあえずアイスクリームは冷凍庫に入れて、ドライアイスで遊びましょう。
まずは、紙またはプラスチック製の容器にお湯（お風呂くらいの温度）を入れ、
その中にドライアイスを放り込みます。水でも大丈夫ですが、途中で凍りつくかもしれません。
ドライアイスの大きさにもよりますが、マックシェイクの大に１／３くらいお湯を入れて、
消しゴム大のドライアイスを２，３個放り込むくらいがちょうどよいでしょう。
（あ〜、マックシェイクも買わなくちゃ、笑）
なお、ドライアイスを素手で持つと手にくっついてしまう恐れがあるので、軍手をしておきます。
まあ、それほど恐れることはないのですが、念のため。


煙がもくもく出るので、それは「水滴」で、湯気と同じものであることを教えます。
これはドライアイス（二酸化炭素の固体）が気体になるときに周囲の熱を奪い、
お湯の周囲の「水蒸気（これは透明）」を水に戻しているのです。


適当に遊んだら、煙が出なくなる前にろうそくに火をつけて、その上から
容器に溜まった二酸化炭素をかけてみると、火が消えます。
これで「二酸化炭素は空気より重く」「その中では火が燃えない」ことがわかります。
もちろん、二酸化炭素は空気より重いので、煙が出なくなっても容器の中に残っているのですが、
確実に火を消すために早めにやってみましょう。


最後に、衛生上問題がなければ、ドライアイスがなくなって残った水の味を確認しましょう。
運がよければ「ピリッ」と炭酸の味がします。「二酸化炭素は水に溶け」「炭酸になる」
ことがわかります。まだお湯が温かいようだと二酸化炭素はほとんど水に溶けないので、
残念ながら味がわからないかもしれません。


これを「ペットボトルに水とドライアイスを入れて栓をする」と二酸化炭素が逃げないので
立派な炭酸水が出来るのですが、量を間違えると爆発するので、やめておきましょう。
簡単な実験でもそれなりのセンスは必要で、「量を一桁間違えたらおかしいことに気づく」
程度の知識がないと危険です。
酸とアルカリの実験でも、「アルカリ性のものはぬるぬるしている」のですが、
これは皮膚の表面のタンパク質が溶け出しているため（と言われています）で、
目に入ると角膜が溶けて失明の恐れがある」ことを知っていなければなりません。
素人は重曹や石鹸で我慢すべきで、水酸化ナトリウムの使用はお勧めできません。
また、「石灰水に二酸化炭素を入れると白く濁る」ことを確かめたくても、
実は透明な石灰水を準備するのは結構大変だったりします。


残ったドライアイスがたくさんあれば、暖かい石鹸水に放り込んでみましょう。
子どもが大喜びすることはうけあいます。後始末は嫌になるかもしれません（笑
後でアイスクリームを食べるのも忘れないで下さいね。

本当にご親切に返信いただいて皆様ありがとうございます。　感謝、感謝であります。


実験・体験さま


田舎なので近くに本屋がないので残念なのですが「化学・意表を突かれる 身近な疑問」と「視覚でとらえるフォトサイエンス化学図録」　早速アマゾンで購入しました。　こんなにいい本があるんですね。　後者は特に安価で得した気分であります。　良書を紹介していただいてありがとうございます。　仰るとおり、薬品や洗剤諸々の成分表示も解って見てみると面白いものですね。　子供の受験に仕方なく付き合っていたのが興味が出てきました。　


ねむりひめさま


楽しそうな実験ですね。　ドライアイスって生協で毎週いただけるのでアイスクリームは買わなくて済みそうですがマクドナルドには行った方がいいみたいです。煙り出して面白がっているだけだったので　とても参考になりました。　ドライアイスで何種類も実験出来ることを教えていただいてありがとうございました。　今週早速実験してみますね。

ねむりひめ さんへ:
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> 煙がもくもく出るので、それは「水滴」で、湯気と同じものであることを教えます。
> これはドライアイス（二酸化炭素の固体）が気体になるときに周囲の熱を奪い、
> お湯の周囲の「水蒸気（これは透明）」を水に戻しているのです。


先ほどドライアイスをペットボトルに入れて水を入れたら白い煙が出ました。
子供には二酸化炭素だと教えたのですがどうも違うような気がしました。
熱を奪い水蒸気を水に戻しているというのがどうも理解できません。


また炭酸水を作ろうとしたのですが爆発するとの注意を思い出し途中で
栓を開けてしまいました。水、ドライアイスの量の目安、爆発しないコツなど
ありましたらお願いします。

ドライアイス さんへ:
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> 先ほどドライアイスをペットボトルに入れて水を入れたら白い煙が出ました。
> 子供には二酸化炭素だと教えたのですがどうも違うような気がしました。
> 熱を奪い水蒸気を水に戻しているというのがどうも理解できません。


二酸化炭素は無色透明の気体ですから、見えません。
ドライアイスが気化するときに周囲の熱を奪い、空気の温度が下がるので、
空気中の水蒸気が水滴になってしまうのです。
冬に呼気が白くなる、冬の日本海が煙っている、夏空に入道雲が出来る、
すべて「温度が下がって、空気中の水蒸気が水滴になる」現象です。


> また炭酸水を作ろうとしたのですが爆発するとの注意を思い出し途中で
> 栓を開けてしまいました。水、ドライアイスの量の目安、爆発しないコツなど
> ありましたらお願いします。


だから、やっちゃダメですって！
どうしてもやりたければ、自己責任でペットボトルの強度を調べ、
ドライアイスを何グラム入れると何気圧になるか、
１気圧になる時の体積増加がどれくらいかを計算してみましょう。
高校の化学の知識で十分です。
どれくらい危ないかは「ペットボトル爆○」で検索すればわかります。
この単語で検索することにより公安に睨まれても、私は関知いたしません（笑
ちなみに、火薬を燃焼させたり原子核を分裂させたときは、
発生する熱によって空気が瞬時に膨張しているのです。それと同じことが起こるんですよ。

ねむりひめ さんへ:
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ちょっと疑問に感じましたので、不躾ですが質問させて下さい。


> 二酸化炭素は無色透明の気体ですから、見えません。
> ドライアイスが気化するときに周囲の熱を奪い、空気の温度が下がるので、
> 空気中の水蒸気が水滴になってしまうのです。
> 冬に呼気が白くなる、冬の日本海が煙っている、夏空に入道雲が出来る、
> すべて「温度が下がって、空気中の水蒸気が水滴になる」現象です。


ドライアイスを水中（お湯？）に入れるんですよね？水中からぶくぶくと二酸化炭素
ガスが出るのですから、二酸化炭素の気化自体は水中で完結しているはずではありま
せんか？従って、二酸化炭素の気化熱は、その周囲の水から得ていると思いますが如
何ですか？（この場合は、固相から気相への相変化だから、気化熱というよりも「昇
華熱」というべきでしょうか）


ねむりひめさんの説明だと（前の投稿も読みましたが）、気化熱により空気の熱が直
接奪われるように取れるんですが、二酸化炭素が空気に触れる時は既に気化した後の
ガス状態ですので、空気が直接気化熱（昇華熱砲杷??イ錣譴椴笋笋気譴襪箸いμ
ではないように思いますが。


私は、水中で気化した二酸化炭素ガスの温度が大気に比べて非常に低く、水中から大
気に出た時に大気がその冷たいガスによって冷やされ、冷やされた大気中の水蒸気が
液化するため細かい水滴ができるのだと思っておりましたが、どうでしょうか？

アルデバラン さんへ:
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> 私は、水中で気化した二酸化炭素ガスの温度が大気に比べて非常に低く、水中から大
> 気に出た時に大気がその冷たいガスによって冷やされ、冷やされた大気中の水蒸気が
> 液化するため細かい水滴ができるのだと思っておりましたが、どうでしょうか？


同意します。
ドライアイスの煙については納得できない部分が多いのですが、
明快な解説をいただいたおかげで、一つ賢くなりました。ありがとうございます。


ついでに、
「なぜドライアイスでなければならないのか」
「なぜ水に入れなければならないのか」
という点についてもご教示いただければ幸いです。
液体窒素だとあんなに煙が出ないような気がするので・・・
水に入れると煙が出るのは、発生する二酸化炭素で自動的に攪拌され、
激しい気化が継続するから、ですかね？
それとも、水の比熱が大きいことが重要なのでしょうか・・・
今度、ドライアイスーアセトンを作って、何が起こるか注意深く観察してみます（笑


掲示板の趣旨から外れた質問で申し訳ありません＞ＡＬＬ

ねむりひめ さんへ:
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> ついでに、
> 「なぜドライアイスでなければならないのか」
> 「なぜ水に入れなければならないのか」
> という点についてもご教示いただければ幸いです。
> 液体窒素だとあんなに煙が出ないような気がするので・・・
> 水に入れると煙が出るのは、発生する二酸化炭素で自動的に攪拌され、
> 激しい気化が継続するから、ですかね？
> それとも、水の比熱が大きいことが重要なのでしょうか・・・
> 今度、ドライアイスーアセトンを作って、何が起こるか注意深く観察してみます（笑


専門家ではないので、単なる推量でしかありませんがちょっと考えてみました。


白煙が出来るためには、水蒸気を多く含む空気が急激に冷やされる必要があると
思います。つまり、「水蒸気」と「急冷却」という２つの要素が必要なのではな
いでしょうか。液体窒素の常圧での沸点は、ドライアイスが常圧で気化する温度
よりも１００℃以上も低いと思いますが、常温常圧でボコボコ沸騰している液体
窒素の周りの空気にはあまり水蒸気が多く含まれていないはずです。液体窒素と
空気の界面付近は、液体窒素から気化した水蒸気をほとんど含まない窒素ガスの
はずですので。一方、水面付近にはかなりの水蒸気量があると思います。そこに、
冷たい二酸化炭素ガスが水面から湧き出してきますので、もうもうと白煙が出来
るのではないかと思うのですが。水面付近の空気は、冷却によって水蒸気が水滴
に変わっても、連続的に水面から水蒸気が供給されますので、白煙が出来続ける
のだと思います。白煙を作るためには、水よりもお湯の方が効果的ですが、これ
は温度が高い程気化する二酸化炭素ガスが多くなるということもありますが、水
面付近の水蒸気量が多いためだからではないでしょうか。

アルデバラン さんへ:
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> 液体窒素の常圧での沸点は、ドライアイスが常圧で気化する温度
> よりも１００℃以上も低いと思いますが、常温常圧でボコボコ沸騰している液体
> 窒素の周りの空気にはあまり水蒸気が多く含まれていないはずです。液体窒素と
> 空気の界面付近は、液体窒素から気化した水蒸気をほとんど含まない窒素ガスの
> はずですので。一方、水面付近にはかなりの水蒸気量があると思います。そこに、
> 冷たい二酸化炭素ガスが水面から湧き出してきますので、もうもうと白煙が出来
> るのではないかと思うのですが。水面付近の空気は、冷却によって水蒸気が水滴
> に変わっても、連続的に水面から水蒸気が供給されますので、白煙が出来続ける
> のだと思います。


この仮説を検証するには
（１）液体窒素を水に入れてみる
（２）水でない液体にドライアイスを入れて、その周囲にお湯を配置してみる
などの実験がよいのでしょうか。
煙の量および蒸発に必要な気化熱を考えると、それがすべて水面から補われると
考えるのはちょっと無理があるような気もします。
煙を回収して水の減少量と比較するガッツはありませんが（笑


ドライアイスの煙については、ちょっと調べたくらいでは納得できる説明が
見つかりませんので、これ以上ここで議論するのは無理があると思います。
理科好きはこんなことを考えるということが少しでも他の人に伝われば、
と思って続けてみました。
お相手下さいまして、本当にありがとうございます。