先進科学塾１日コース

　　　　Advancing Science Workshop

　　「科学（理科）をわくわくしながら勉強する」にはどうしたらよいだろうか。
　　先進科学塾はそれに答えようとする企画です。

物質に秘められたエネルギーを探る

　物質にはエネルギーが秘められている！　そう言われても実感がわかない。そもそもエ
ネルギーとはどんなものだろうか・・・。
　使い捨てかいろ、クールなラムネ菓子、温熱パッドなど楽しい実験から始めてその秘密
を探っていきます。その正体を暴くため、加熱しないで人力で水の温度を上げることにも
挑戦します。
　エネルギーの量を計測することに取り組みます。そして物質が持つエネルギーを利用す
る蒸気機関車の模型、燃料電池と太陽電池の実物に触れ、最後はエネルギー問題をどのよ
うにとらえたらよいかを考えます。

　　　　　　　　

　　日　時　　　７月１０日（日）　１０時〜４時

　　場　所　　　名古屋市科学館の８階科学実験室


　　　氏名：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 1 -

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０５．７．１０
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　講師：林　正幸

物質に秘められたエネルギーを探る

実 験

実験の取り組み方
（１）危険防止のため安全めがねをかける。
（２）積極的に取り組み、助け合う。
（３）予め操作を頭に描き、分からないときは先生に確かめる。
（４）よく観察し、その意味を考察し、できるだけ疑問を見つける。
（５）「Ｄ」記号がある操作はドラフトで行う（今回はない）。
（６）実験中に気分が悪くなったらすぐに申し出る。
（７）器具を洗浄し、廃棄物を処理し、机上を雑巾で拭く。

実験１「発熱変化と吸熱変化」
（使い捨てかいろ）
（１）鉄粉４５ｇが入った紙コップに食塩薬さじ２杯を加えてしばらく割りばしでかき混
ぜてみる。
（２）それだけでは発熱がないことを確認できたら、５０ｍｌ三角フラスコに水をとり、
ピペットでその３ｍｌを加え、よくかき混ぜ続ける。
（３）温度が上がってきたら、温度計を差し込んで調べる。何℃まで上がるか。
注意：温度計はかき混ぜに使用してはいけない。
（４）温度が下がり乾燥した状態になったら、もう一度水３ｍｌを加えてかき混ぜる。
（５）温度計は水洗いし、紙コップは教卓に返す。
（クールなラムネ菓子）
（１）手のひらに重そう約１ｇ（見本を参照）を乗せ、ピペットでレモン果汁約２ｍｌを
加え、手のひらの感覚に注意する。
（２）よければ、半分の重そうにその同量の砂糖を混ぜ、レモン果汁約２ｍｌを加え、泡
立ったらなめてみる。
参考：重そうの正式名は炭酸水素ナトリウムである。レモン果汁にはクエン酸が含まれる。
（硫酸の水への溶解）
（１）１００ｍｌビーカーに純水約５０ｍｌを入れる。試験管に入った濃硫酸１０ｍｌを、

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 2 -

ガラス棒でかき混ぜながら、５ｍｌピペットを使って少しずつ溶解し、温度の変化を観察
する。
注意：逆に、濃硫酸に水を加えると危険である。
（２）できたうすい硫酸はそのまま教卓に返す。
（温熱パッド）
（１）液体状態の酢酸ナトリウムが入ったポリ袋を手で触り、常温であることを確かめる。
（２）チャックを開いて、固体の酢酸ナトリウム１粒を投入する。
（３）凝固の様子と温度の変化を観察する。
（４）ポリ袋はそのまま返却する。
＜記録＞






実験２「ブラウン運動の観察」
（１）数倍にうすめた牛乳１滴をスライドガラスにのせ、カバーガラスをかける。
（２）顕微鏡を数１００倍にして観察する。

実験３「ポット振り」
（１）ポットに３８℃くらいの湯を１／３入れ、正確な温度を確認する。
（２）しっかりふたをして、交代で１０分以上、ポットを激しく振る。
（３）もう一度温度を計測する。
＜記録＞



実験４「燃焼熱の計測」
（１）紙コップを銅線２本でばけつにする。
（２）これにメスシリンダーで水１００ｍｌを入れ、スタンドに下げて温度を計測する。
（２）ピーナッツ１粒を銅線に巻き付け、バーナーで点火して、紙コップの底で水を加熱
する。
（３）燃え終わったら、もう一度温度を計測する。
＜記録＞

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 3 -




実験５「蒸気機関車」（デモ実験）
　蒸気機関車（ＳＬ）の模型に、水１０ｍｌほどを入れて固形燃料で加熱すると、走る。

実験６「簡単燃料電池」
（１）バットの底を上にして炭素板を乗せ、クッキングペーパー２枚を被せ、１ｍｏｌ/ｌ
水酸化ナトリウム水溶液１４ｍｌを染み込ませる。
（２）もう１つの炭素板を乗せて手まわし発電機に接続し、２分ほど電気分解をして、す
ぐに発電機のクリップを外す。
参考：発電機は右まわしするとコンセントの上側が正極になる。
　　　たとえば上の炭素板をプラス極になるように決めておく。
（３）そしてメロディテスターを接続する。
注意：テスターは極性があるので、プラス（赤コード）をプラス極に接続する。
（４）続いてソーラーモーターを接続する。
（５）終わったらクッキングペーパーは廃棄容器に捨てる。
参考：事後にクッキングペーパーはホウ酸で中和処理する。
＜記録＞



紹介：野曽原先生と理科部の生徒が考案した燃料電池

実験７「太陽電池車」（デモ実験）
　太陽電池を搭載した模型の自動車に、１００Ｗのライトを当てると、走る。









　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 4 -

知識と理論

［ａ］エネルギーとはどんなものか
［１］エネルギーとはどんなものだろうか。よく使う言葉なのに、考えてみると分からな
くなる。
問１　エネルギーとはどんなものか。またどんなエネルギーがあるか。



［２］エネルギーには様々な姿がある。エネルギーは次々に姿を変える。生活の中では、
電気エネルギーが光エネルギーに変わったり（照明器具）、運動エネルギーに変わったり
（扇風機）する。燃料用ガスが持つエネルギー（「内部エネルギー」と呼ばれる。今回の
主役であり後で説明する）が熱エネルギー（＊）に変わる（ガスレンジ）。太陽エネルギ
ーが大気や大地・海洋の熱エネルギーに変わったり、太陽電池によって電気エネルギーに
変わったりする。
＊：熱エネルギーも内部エネルギーの一部であるが、ここではこのような表現にした。
［３］エネルギーは物体どうしの間でやり取りされる。扇風機の場合は電子とモーターの
間で（このとき電気エネルギーから運動エネルギーに姿も変わる）、次にモーターと空気
の間でやり取りされる。ガスレンジの場合は燃料ガスと燃焼ガスの間で（内部エネルギー
が熱エネルギーになって）、次に燃焼ガスと食材や鍋の間でやり取りされる。
　また自動車の場合は、エンジンの動力（運動エネルギー）が車体の運動エネルギーなど
になる。つまりエンジンと車体でやり取りされる。この例ではそれと共にエンジンが車体
に仕事をする。今回はその中身に深入りはできないが、仕事はエネルギーのやり取りに伴
ってしばしば生じ、エネルギーは仕事をされた物体に移動する。
参考：エネルギーの量は、どれだけの仕事をするかで計測することがある。
［４］エネルギーはどんなに姿を変えても、そして物体どうしがエネルギーをやり取りし
ても、その全体の量は一定に保たれる。これはエネルギー保存の法則と呼ばれる。
　　「エネルギーは全体として増えたり減ったりしない」
とまとめられる。簡単な例として、ボールを投げ上げることを考える。手を離れた瞬間に、
ボールは運動エネルギーを持つが、それは最高点に達したときすべて位置エネルギーに変
わり、落ちてきたときには再び同じ大きさの運動エネルギーに変わっている。
参考：物体間でやり取りされ、その量が保存されるとすると、エネルギーは、物体を渡り
　　　歩き、「流れていく」と捉えることもできる。

［ｂ］物質の身分証明書

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 5 -

［１］まず実験１「発熱変化と吸熱変化」の内容を整理しよう。
　@では、鉄粉に食塩を混ぜ、すこし水を加えてかき混ぜると、温度が９０℃くらいまで
上昇した。このとき空気中の酸素も消費して次の反応が起こる。
　　　　４Ｆｅ ＋ ３Ｏ2 ＋ ６Ｈ2Ｏ ―→ ４Ｆｅ(ＯＨ)3
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　水酸化鉄(V)
ここで食塩（水）は反応を促進するはたらきをする。
　Aでは、炭酸水素ナトリウム（重そうの正式名）と果汁中のクエン酸が次のように反応
して、二酸化炭素が発生して手のひらが冷たく感じた。
　　　　３ＮａＨＣＯ3 ＋ Ｃ3Ｈ4(ＯＨ)(ＣＯＯＨ)3 ―→
　　炭酸水素ナトリウム　　　　クエン酸
　　　　　　　　　　　　Ｃ3Ｈ4(ＯＨ)(ＣＯＯＮａ)3 ＋ ３Ｈ2Ｏ ＋ ３ＣＯ2
　　　　　　　　　　　　　クエン酸ナトリウム
なお砂糖（正式名はショ糖）は変化していない。
　Bでは、水に少しずつ濃硫酸を溶解すると、沸とうするほどになった。
　　　　硫酸 ＋ 水 ―→ 硫酸水溶液
　Cでは、液体状態の酢酸ナトリウムに小さな１粒の固体の酢酸ナトリウムを加えると、
凝固が起こって温かくなった。
　　　　酢酸ナトリウム(液) ―→ 酢酸ナトリウム(固)
液体が冷却されると凝固点以下になっても固体にならないことがある。凝固点以下の温度
で液体である状態は過冷却と呼ばれる。
［２］実験１では化学的変化に伴って、温度が上昇したり下降したりした。これは温度が
変化前と同じになった時点で考えると、まわりに熱エネルギーを与えたり（発熱という）
まわりから熱エネルギーを奪ったり（吸熱という）したことを意味する（熱エネルギーに
ついては、後でくわしく説明する）。
　物質は温度が違ってもそれが持つエネルギーは異なるので（あとでもう一度確認する）、
しばらくは変化の前後で温度が同じになった時点で考えることにする。
［３］発熱や吸熱の事実は、エネルギー保存の法則があるため、変化の前後でどちらの物
質（２種以上のことも）が持つエネルギーの量が大きいかを示している。
問２　エネルギーの量の大小関係を判断せよ。
@使い捨てかいろ
　　鉄、水、酸素（　　）水酸化鉄(V)
参考：食塩は変化していないので、変化前後で食塩が持つエネルギーは同じである。
Aクールなラムネ菓子
　　炭酸水素ナトリウム、クエン酸（　　）クエン酸ナトリウム、水、二酸化炭素
B硫酸の水への溶解

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 6 -

　　硫酸、水（　　）硫酸水溶液
C温熱パッド
　　液体の酢酸ナトリウム（　　）固体の酢酸ナトリウム

問３　水も含めて凝固は発熱である。水は冷たくすると氷になる。矛盾しないか。



［４］実験１と問２から窺えるように、物質は種類によってそれが持つエネルギーは異な
る。また同じ物質でも状態が違うとそれが持つエネルギーは異なる。また物質は温度が変
化すると、熱エネルギーをまわりに与えたりまわりから奪ったりする。つまり物質は温度
が違ってもそれが持つエネルギーは異なる。
［５］以上から考えると、エネルギーとは次のようなものである（ここからは化学の「物
質」という用語を使うことにする）。まず
　　「エネルギーは物質が存在することに伴って必然的に持つもの」
である。物質はエネルギーを持たずには存在できない。そして
　　「物質はその種類によって、また同じ物質でもその状態によって、
　　　　　　　　　　　　　　　　　それぞれある決まったエネルギーを持つ」
のである。エネルギーとは、ある物質がある状態で存在することの身分証明書のようなも
のである。物質の種類や状態が異なれば必ず異なるエネルギーを持つ。ちなみに温度の違
いも物質の状態の違いに含まれる。

［ｃ］物質が持つエネルギーの正体
［１］物質が持つエネルギーは表面的には見えないので、その内部に隠し持つという意味
で「内部エネルギー」と呼ばれる。
［２］実験２「ブラウン運動の観察」では、うすめた牛乳を顕微鏡で観察すると、脂質で
できた脂肪球という小さい粒子が揺れ動くように乱雑な運動をしていた。これは顕微鏡で
も観察できない極く小さい水分子自身が乱雑に運動しており、その水分子が脂肪球に衝突
をくり返すために起こる。
　物質をつくる分子、イオン、原子はすべて乱雑な運動をしており、「熱運動」と呼ばれ
る。これは
　　　　「物質は運動エネルギーを持つ」
ことを意味する。
　熱運動は温度が高いほど激しいが、常温でもその運動エネルギーは大きなものである
（逆に、温度は熱運動の激しさを示していると言える）。

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参考：常温（２５℃）における空気中の窒素分子と酸素分子の平均飛行速度
　　　　　窒素分子　　５１５ｍ/ｓ
　　　　　酸素分子　　４８２ｍ/ｓ
問４　実験３「ポット振り」では、どのようなことが起きたと言えるか。



［３］物質は位置エネルギーも持っている。残念ながらこれを実感するのは難しい。そこ
で次のように考えてみよう。
　位置エネルギーは初歩的には「高い位置にある物体ほど大きい位置エネルギーを持つ」
と言われる。これを図のように宇宙的視野で見直してみよう。

　　　　

地面は地球である。物体が落下するのは、物体と地球が万有引力で引き合っているためで
ある。高いとは物体と地球の距離が大きいことである。こうして位置エネルギーは
　　「引き合う物体どうしが
　　　　　　　　　　ある距離で位置していることに対応して持つエネルギー」
である。そして距離が大きいほど位置エネルギーが大きい。なお引力の種類は万有引力だ
けでなく、電気的引力でも磁気的引力でも構わない。位置エネルギーとは２つ（以上）の
物体の間にあるエネルギーである。
［４］水を加熱するとやがて１００℃になり、沸とうが始まる（１ａｔｍの下では）。加
熱を続けるとどんどん水蒸気が発生するが、その温度は１００℃である。
　液体では水分子はほぼ接触してひしめくような状態にあるが、気体では体積が１０００
倍以上になり、水分子は広い空間にばらばらと存在する。
　加熱によりエネルギーを得て、分子間の距離が大きくなる。これは水分子が位置エネル
ギーを持つことを窺わせる。化学結合の学習では、原子どうしがイオン結合や共有結合や
金属結合をして引き合う。また分子どうしが、極性による引力や水素結合などの分子間力
で引き合うことが出てくる。こうして
　　　　「物質は位置エネルギーも持つ」
ことが納得できるだろう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 8 -

　液体より気体の方が、結合した分子よりばらばらの原子の方がより大きい位置エネルギ
ーを持つことに注意しよう。
［５］そしてこれは分かりやすいことであるが
　　「物質が持つエネルギーの量は物質の量に正比例する」
のである。

［ｄ］熱エネルギー
［１］内部エネルギー（物質が持つエネルギー）のうち、熱運動によるエネルギーは「熱
エネルギー」と呼ばれる。熱エネルギーは物質どうしが接触していると、温度が高い（熱
運動が激しい）方から温度が低い（熱運動が穏やかである）方に移動し、それは両方の温
度が等しくなると停止する。これが熱伝導の正体である。
［２］化学的変化に伴うのは熱エネルギーであることが多い。使い捨てかいろでは、余っ
たエネルギーは熱エネルギーの姿になり、反応混合物の温度が上昇した。続いて混合物が
その熱エネルギーを手のひらに与えた。またクールなラムネ菓子では、不足するエネルギ
ーを自らの熱エネルギーでまかなって、反応混合物の温度が下降した。続いてその混合物
が手のひらの熱エネルギーを奪った。
［３］エネルギーの量は［Ｊ］（ジュール）という単位で計る。そして液体の水１ｇが、
温度が１℃だけ上がるときに増える熱エネルギーは
　　　　４.２Ｊ（ジュール）
であることが分かっている。これは水の比熱と呼ばれる。これを利用すると、化学的変化
に伴うエネルギーの量を計測することができる。
問５　実験４「燃焼熱の計測」の結果から、ピーナッツ１粒が燃焼するとき発生するのエ
ネルギー量を計算せよ。もちろん逃げた熱エネルギーは無視しよう。




［ｅ］内部エネルギーの利用
［１］物質の内部エネルギーを取り出して利用するには、より内部エネルギーが小さい物
質や状態に変化させればよい。使い捨てかいろや温熱パッドを思い出そう。つまりその内
部エネルギーを取り出して利用できる物質とは、内部エネルギーが大きく発熱変化をする
物質である。
問６　その内部エネルギーを取り出して利用できる物質を上げてみよう。常温の液体の水
は内部エネルギーを利用できるか。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 9 -



［２］人類は内部エネルギーを燃焼反応によって熱エネルギーに変えて発展してきた。始
めは暖を採ったり調理に利用していたが、産業革命では蒸気機関の発明によって、実験５
のように、熱エネルギーを動力（運動エネルギー）に変えて仕事をさせることができるよ
うになり大きな飛躍を遂げた。その後はガソリンエンジンのような内燃機関や、電気エネ
ルギーを発生する発電機などが発明された（火力発電では、元になるのは石油や天然ガス
（と酸素）の内部エネルギーである）。
［３］実験６「簡単燃料電池」では、水酸化ナトリウム水溶液を電気分解した後で、電極
に接続すると、メロディテスターが鳴り、ソーラーモーターがまわった。電気分解では水
が水素と酸素に分解される。
　　　　２Ｈ2Ｏ ―→ ２Ｈ2 ＋ Ｏ2
その後では前と逆向きに、水素と酸素が反応して水になり、まわりに電気エネルギーを与
えた。
　　　　２Ｈ2 ＋ Ｏ2 ―→ ２Ｈ2Ｏ
通常はこの反応はまわりに熱エネルギーを与える。このように燃料を反応させる電池は、
燃料電池と呼ばれる。
　最近では、このような燃料電池や、実験７のように、太陽エネルギーを電気エネルギー
に変える太陽電池も発明された。ちなみに太陽エネルギーとは、超高温高圧の下の水素が
核融合という原子核反応を起こすことで発生するエネルギーである。その元は原子核反応
まで含めたときの、水素の内部エネルギーである。
［４］エネルギーを利用していくと、ほとんどはやがて熱エネルギーに変わり、しかも熱
伝導により温度差がなくなり、利用できなくなる（熱力学の第２法則）。つまりエネルギ
ーは、増えたり減ったりしないにもかかわらず、最終的には使い捨てであり、常に供給す
る必要がある。これは原料が、元素不滅の法則から、リサイクル可能であるのと対照的で
ある。

［ｆ］エネルギー問題
［１］現代では石油、天然ガス、石炭やウランなど大量の化石燃料を利用するようになり、
二酸化炭素による温暖化や都市のヒートアイランド現象、高レベル放射性廃棄物の蓄積な
ど、地球環境が破壊されるまでに至っている。
問７　私たちはエネルギー問題をどのようにとらえたらよいだろうか。



　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 10 -

＜メモ＞
　このプランは午前・午後それぞれ２.５時間で展開しました。実験も楽しそうで、エネルギ
ー概念はうまく受け止められ、問も適切であったと思います。エネルギー問題を十分に話し
合う時間はありませんでしたが、考える基礎はできたようです。スタッフの皆さんの協力も
成功に結び付きました。



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