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に対して、私は「電子得失表」を軸に展開したら分かりやすいという主張がある。
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日目の途中で燃料電池の、４日目の途中に「イオン交換膜を使う電気分解」の演示実験を
行う。
以上の実験や学習の中で、「こんなこと試してみたい」「こう考えるのは正しいか」と
いう自分の研究課題を見つけていく。そして４日目の残り半分と５日目で、その研究課題
を検証実験で確かめてみる。
６日目は、課題研究に取り組んだ経験をみんなのものにするために、研究発表・交流を
する。そして最後に「何を科学塾で学んだか」「科学はどうあるべきか」についても話し
合う。
ぜひ「研究者になったつもり」で頑張ってほしい。
＜以上＞
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（しばらくして）
Ｓ「赤褐色の溶液を紙に染み込ませると、ちゃんと紫色になるよ。」
Ｔ「どうしてそんなことしてみたの？」
Ｓ「プリントに垂れてしまったのを見たら、そうなっていた。」
Ｔ「そうか、普通の紙にはデンプンが加えてあるから、それでヨウ素デンプン反応が起こ
ったのだ。」
Ｔ「ということは、片栗粉でつくったデンプン液は古くなるとだめなのだ。白色のもやも
やが気になっていたんだ。」
Ｔ「すごいなあ、君のおかげで実験がうまく行かない理由が分かってしまった！」
（ｂ）亜鉛とヨウ素の反応
Ｓ「水をかけると紫色のけむりが出てきて、すごい。これ塩素？」
Ｔ「塩素は黄緑色って、習わなかったかい？」
Ｓ（別）「これ、ヨウ素だよ。」
Ｔ「そう、ヨウ素は固体は黒っぽい色をしているが、気体になると紫色なんだ。」
Ｓ「発熱反応だ。」
Ｔ「そう、蒸発皿の下を触ってみよう。」
Ｓ「と言うことは、亜鉛と水が反応した？」
Ｔ「簡単に調べられるね。」
Ｓ「亜鉛に水をかけてみよう。反応しないなあ。」
Ｓ「じゃ、ヨウ素と水かも。やはり反応しない。」
Ｔ「ということは、やはり亜鉛とヨウ素が反応しているね。その反応熱で、まだ反応して
いないヨウ素が昇華した。」
Ｓ「じゃ、水は何のため？」
Ｔ「触媒って、知らないかい。亜鉛とヨウ素の反応を速く進ませるはたらきをするの
だ。」
（ｃ）ニッケルめっき
Ｓ「先生、この実験、目がうるうるして変だ！ ニッケルめっき液って、何が入っている
の？」
Ｔ「硫酸ニッケルだけど・・・。」
Ｓ「硫酸のせい？」
Ｔ「硫酸そのものが入っているのではなく、硫酸イオンなんだがこれは反応しないよ。」
Ｔ「そうそう、助剤として塩化アンモニウムも加えてあったよ。だから塩化物イオンが反
応して塩素が発生しているのだ。発生している泡は主には酸素のはずだけどね。」
Ｓ「塩素かあ。」
Ｔ「私が試しに実験したときは気付かなかった。気分が悪いなら止めていいよ。」（科学
館の換気機能は十分でない）
（別の実験で、塩素が空気より重いという記述を見て）
Ｓ「そうか、だからしゃがんだときに余計うるうるしたんだ。」（考えている！）
これを受けて塩素が発生しないように、塩化アンモニウムを硫酸アンモニウムに代えて
試してみたが、同じようにきれいにプレートができ上がった。つまり実験の改良ができた
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のである。
（ｄ）ダニエル電池
おもちゃが止まるまで放電してから、銅板を観察した。
Ｓ「銅板の表面に黒いものが着いている。これって、鉛かな。」（「金属と水溶液の反
応」で亜鉛の表面にできた鉛を連想している）
Ｔ「でも使っている薬品に鉛は入っていないよ。金属は細かいときはどれも黒色なんだ。
ニッケルめっきでも、銅板の表面に着いたニッケルは始めは黒色で、積み重ねていくと銀
色になってきただろう。」
Ｓ「削ってみよう。わあ、銅の箔が取れる。もとの銅板が削れているのかな。」
Ｔ「それはもとの銅板の質量を計っておけば確認できるね。それは銅板の表面にできた銅
なんだ。」
Ｓ「あれ、亜鉛板の表面にも黒いものが着いている。亜鉛かな。」
Ｔ「そうかな。」
Ｓ「亜鉛板の方のろ紙が青色になっている。銅かな。」
Ｔ「試してみよう。集めてビーカーに移すよ。」
Ｔ「そして濃硝酸を加えると、ほら青色になった。実験に使った飽和硫酸銅水溶液も、薄
めると同じ色だ。」
Ｔ「硫酸銅や、反応でできた硝酸銅には銅イオンが含まれてる。銅そのものと銅イオンは
色が違うことを覚えておこう。そして銅イオンは銅がなければ決してできない。元素は不
滅なのだから。」
Ｔ「銅イオンの検出にはアンモニア水を使う。どちらの水溶液にもアンモニア水を加える
と、ほらコバルト色になる。」
Ｓ「どうして亜鉛版に銅ができたんだろう。」
Ｔ「セロハンを透過して銅イオンが拡散して来るからなのだ。」
Ｔ「亜鉛板に着いて残っていた黒いものが、すこし小豆色になってきた。銅の色が見えて
きている。」
Ｓ「ビーカーの中が赤茶色になっているのは何？」
Ｔ「これは銅と濃硝酸が反応するとき、同時に発生する二酸化窒素という気体だよ。これ
は毒性があるから注意しよう。」
授業では結果が出れば即かたづけさせるわけで、時間的ゆとりの重要性を再認識させら
れた。
（ｅ）液体窒素
基礎実験が終わってから「液体窒素があるから、凍らせたいもの探していらっしゃ
い。」というと、１００均でたくあん、高菜、ハッシュドビーフ、プラスチックボールを
購入し、道中で草を取ってきた。
たくあんは凍らせて、金づちで割った。プラスチックボールは軟球と違って、床に落と
しても弾んでしまった。そこで板で押しつぶすと、ガラスのように割れた。草は簡単に砕
けた。
こちらで乾電池に豆電球をつないで、乾電池を液体窒素に浸けて豆電球を消してみせた。
これは「水が凍ってイオンが動けなくなったのさ。」とだけ言っておく。やがてまた豆電
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球が光り始める。
液体酸素を見せたかったので、空気をポリ袋にとって冷やした。液体は得られたが青色
にはならず、磁石にも引かれるかどうか分からなかった。ぶっつけ本番だから、酸素ボン
ベなど準備していない。アルミ製のプリン容器が見つかったので、スタンドに固定して液
体窒素を注ぎ入れた。底から滴が落ちる。磁石を近づける。「先生、引き寄せられている
みたい。」しかしはっきりとは分からない。生徒の方が何とかしたいと思っている。マッ
チの燃えさしを使うがうまくいかない。そのうち線香が見つかる。生徒が夢中で底を探る。
するとパン！と音がして燃え上がる。「酸素だ。」生徒はくり返し、くり返し火を着けよ
うとする・・・。
「先生、液体窒素に湯を入れてみようよ。」やかんに湯を沸かす。ビーカーでは危険か
もしれないから、箱にポリ袋を敷いて液体窒素を入れる。「みんな、安全めがねを掛けよ
う。それから窒息するかのしれないな」生徒が飛んでいってドアを開ける。そして恐る恐
る湯を注ぐ。白色の煙が盛り上がり床を流れて広がる。「映画のワンシーンを見ているよ
うだ。」「よし、大丈夫。もっと行け。」煙が晴れると、箱の中に液体が残っている。
「何だろう？」触ってみて「なんだ、湯だ、湯だ。」
「先生、今度は床に流そうよ。」
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（ｄ）「アルミホイルと塩酸の反応で、しばらくすると溶液が黄色になるのはなぜか」
アルミホイルには鉄が含まれている。これが塩酸の水素イオンと反応して鉄(U)イオン
になり、それがさらに水および空気中の酸素と反応して鉄(V)イオンになる。どちらも電
子得失表を見れば納得できる。鉄(V)イオンは黄色であり、ヘキサシアノ鉄(U)酸カリウ
ムを加えると青色になった。
（ｅ）「吸熱反応の方はイメージが湧かない」
亜鉛とヨウ素の反応で未反応のヨウ素が昇華することに関連して生まれた。これは別の
テーマであるが、関心が高いのですこし説明することにした。
始めに硝酸アンモニウムが水に溶解して吸熱する実験をした。
発熱や吸熱は、熱くなったり冷たくなったりすることに注目するが、本来の意味はまわ
りにエネルギーを与えたり、まわりからエネルギーを奪ったりすることである。発熱で熱
くなるのはエネルギーをとりあえず自分の運動エネルギーに変えて温度が高くなるためで
あり、最終的にはまわりと同じ温度になってまわりにエネルギーを与えるわけである。熱
いと分かるのもまわりにエネルギーを与える過程である。吸熱も同じことである。冷凍庫
で水が凍るのをよく吸熱と誤解するが、それは冷たくて凍るという実感から来ている。冷
凍庫が水からエネルギーを奪っていることに注目すれば、凝固が発熱であることはすぐに
理解できる。
（ｆ）「塩素や硫化水素が発生する反応式はどうなるか」
どんな反応で発生したかに関心がある。
ＣａＣｌ(ＣｌＯ)・Ｈ2Ｏ ＋ ２ＨＣｌ ―→ ＣａＣｌ2 ＋ ２Ｈ2Ｏ ＋ Ｃｌ2
Ｎａ2Ｓ ＋ ２ＨＣｌ ―→ ２ＮａＣｌ ＋ Ｈ2Ｓ
生徒は硫化水素が硫化鉄以外からもつくれることに驚いた。
（ｇ）「ダニエル電池の銅板と亜鉛板を入れ替えたらどうなるか」
このような疑問の持ち方自身が、教師には新鮮である。私が答えるのでなく生徒に考え
させようと黒板に図を書くと、３人が出てきて教師そっちのけで意見交換が始まった。す
こし前に、１時間半ほど勉強して「眠くなる」ことが話題になったばかりだっが、それが
嘘のようである。今から思うと克明に記録を取るべきだったが、後の祭り、話は次々に展
開してとても記憶できる量ではなかった。
何故か硫酸イオンに注目したが、負極は亜鉛が電子を与えることになった。そして正極
では
２ｅ- ＋ ＳＯ4 2- ―→ ＳＯ4 4-
ＳＯ4 4- ＋ ２Ｈ+ ―→ ＳＯ4 2- ＋ Ｈ2
と考えた。水素イオンは水の電離で生じる。そこで正極は結局
２ｅ- ＋ ２Ｈ+ ―→ Ｈ2
となることを指摘して、実験してみることを提案した。
豆電球は光らない。ソーラーモーターもまわらない。しかしデジタルテスターで電圧が
０.８８Ｖと確認できた。確かに亜鉛板が負極であった。そして亜鉛板を裏返すと、表面に
黒いものが付着していた。生徒はろ紙にこすり付けて金属であるか確かめようとする。
「亜鉛かな？」しかしよく観察すると赤みがある。「銅だ。」今回はそれ以上確認せずと
も納得した。
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もう一度考えると、次の反応が起こることが分かった。
Ｚｎ ＋ Ｃｕ2+ ―→ Ｚｎ2+ ＋Ｃｕ
それでは負極で電子を与えたのは何か。そして次の反応式を書いた。
４ＯＨ- ―→ Ｈ2Ｏ ＋ Ｏ2 ＋４ｅ-
係数こそ違うがよく覚えていた。水酸化物イオンはやはり水の電離で生じる。この生徒は
酸化還元まで学習が済んでいるが、やはり電解を水の電離を使って教える先生が多いよう
だ。そこで水だけで電池ができそうだねと、再び実験してみることを提案した。
テスターは０.６７Ｖを示す。亜鉛板が負極である。
参考：デジタルテスターは電流がほとんど得られない電池でも電圧を検出する。
続いて電圧の数値の説明が付かないことに関心が移る。前の電池の電圧０.８８Ｖが亜鉛
の酸化還元電位０.７６３Ｖより高い理由である。これは途中で「電池の電圧は酸化還元電
位で決まるとは限らない」と止めた。
最後に前の電池に関して、亜鉛の方が水酸化物イオンより電子を与えやすいこと、しか
も水酸化物イオンは濃度が極めて小さいためにさら電子を与える勢いが小さいこと、亜鉛
板が負極になる根拠がないことを提起して、さらに検討が必要であるとまとめた。
このあいだ約１時間、残念ながら話のあらすじにおいてさえ大穴が空いているだろう。
（ｈ）「乾電池に水銀を使わなくなった意味を知りたい」
たぶん私たちの会話がきっかけで持った疑問であろう。キッチン電池で水素過電圧につ
いてすこし触れている。
乾電池において正極で電子を奪う反応は複雑であるが、水素イオンが関係している。こ
れが水素になる反応は速度が小さい。しかもそれは反応が起きる表面にもよる。亜鉛や水
銀の表面ではより小さいが、それに比べると銅の表面では大きい。亜鉛の純度が悪く銅な
どが含まれると、電池を使わないときにも局部電池になって消耗する。それを防ぐために
亜鉛の表面に水銀を塗った。しかし亜鉛の純度が上がり、環境問題を起こす水銀は必要で
なくなった。
（ｉ）イオン交換膜を使う電気分解
Ｓ「手まわし発電機を２つ使おう。」
Ｓ「さぼってまわさなくても発電機がまわるよ。」
Ｓ「ショートするとハンドルが重くなる」
Ｔ「たくさんの電気エネルギーを発生させるには、人間がたくさんの仕事をする必要があ
るのだ。」
Ｓ「じゃ、純水を電気分解すると軽いかな？」
Ｔ「やってみよう。炭素棒を電極にするよ。」
Ｓ「本当だ。」
Ｓ「ろ紙の上に炭素棒を置いて実験しよう。」
Ｓ「やはり黄色と青色になる。それが反対の電極に移動していく。」
Ｔ「確かにイオンが移動していくけど、本当の速度は見たよりは遅いよ。この実験では溶
液が流動することで移動する効果も加わっているのだ。」
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［１］ 課題研究の取り組みは次のように指示した。
＜テキストからの引用＞
（１）研究ノートをつくろう。
（２）「こんなこと試してみたい」「こう考えるのは正しいか」という研究課題を探す。
「知識と理論」のプリント中にある「課題」も参考になる。アイデアが浮かんだら
先生に相談しよう。
（３）検証実験の材料を準備する。先生もできるかぎり協力する。
（４）相談はメールや電話（０５８６−７８− ）でもよい。
希望があれば別の日に科学館に来てもよい。
（５）４日目の後半から検証実験を始められるように取り組もう。
（６）失敗を恐れない。そこから科学研究が始まる。
時間があれば実験を追加してもよい。
（７）研究発表（１人 分）の準備をする。
＜以上＞
［２］生徒が途中で検討して方向付けできるように助言した。
［３］今回は生徒１人にスタッフ１人が付けて良かったが、スタッフ１人が担当できるの
は、生徒の対応能力にもよるが３、４テーマが限界である。
［４］基礎実験の材料はそのまま残しておくことが大切であり、さらに私が材料集めに奔
走することになった。
［５］研究発表記録はまとめて生徒に郵送した。同じものを資料として添付する。
備考：ホームページではこの資料は割愛する。
内容を解説すると次のようである。
（ａ）「飲みもので電池を作ろう」
基礎実験のキッチン電池に対して、「ジュースでもできるのでは・・・」という考えが
研究課題になった。
名前 電圧（Ｖ） オキシドール投入後 モーター 電流（ｍＡ）
ポカリスウェット ０.５３ ０.８５ まわる ３５.５
コーヒー ０.７９ ０.９１ まわらない ４.５
アクエリアス ０.６７ ０.７３ まわらない ０.５
コカコーラ ０.５４ ０.７３ まわらない ２.２
フルーツのすすめ ０.６４ ０.７８ まわらない １.０
イオン交換水 ０.７０ ０.８４ まわらない １.４
ポカリスウェットが断トツで、アクエリアスやコカコーラの小さいことがおもしろい。な
おポカリスウェットはｐＨ４である。
続いてポカリスエット電池でおもちゃを動かすことにした。しかし２つ直列にし、食塩
を加えたりオキシドールを多くしてもだめであった。おもちゃは３Ｖ、０.３７Ａ以上が必
要であると計測された。
そこで大きいステンレス板（３０×２０ｃｍ）とアルミホイルの間にクッキングペーパ
ーをはさむ形にした。４つを直列にし、食塩濃度を高くし、さらに２つを追加すると、や
っと一瞬動いた。そこでオキシドールを追加すると、とうとうおもちゃが楽しげに動いた。
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その食塩濃度は５％、オキシドールはポカリスウェットの１／３を加えた状態であった。
なお食塩は少なくてよいかもしれない。
（ｂ）「正極で非金属の単体が電子を奪うような電池を作ろう」
「知識と理論」にあるこの課題に関心が向いた。
始めに硫黄を使うことにした。負極はナトリウムを考えたが、実物を前にしてどう使っ
たらよいか分からない。そこでアルミホイルに変えた。
ステンレス板に硫黄粉末をまき、クッキングペーパーを被せて食塩水を染み込ませ、ア
ルミホイルを載せて電圧と電流を計ると、０.８Ｖ、０.０１ｍＡであった。一応電池には
なっている。そこで電解質を変えていくと、水酸化ナトリウムで０.２５Ｖ、３０.４ｍＡ
という結果が得られた。正極には銅板や炭素板も試した。そして硫黄の代わりに六一〇ハ
ップも試した。
負極を亜鉛板に変えると、たとえば電解質が硫酸ナトリウムで０.６Ｖ、２２.１ｍＡと
いう結果が得られた。
非金属をヨウ素に変えると劇的な成果が得られた。いくつも試す中で、炭素板の表面に
粉末にしたヨウ素をまき、被せたクッキングペーパーに２％硫酸ナトリウム水溶液を染み
込ませ、亜鉛板を載せるのがベストと分かり、１.４Ｖ、２.１Ａというパワーが得られた。
２つ直列にしておもちゃをつなぐと、いつまでも動き続けた。
備考：始めはテスターのヒューズが切れていたりして、結果が出ないという苦労があった。
（ｃ）「逆ダニエル電池の研究」
学習の中で出てきた質問が、研究課題に発展した。
始めに「逆ダニエル電池（銅板に硫酸亜鉛水溶液を染み込ませたクッキングペーパー、
セロハン、硫酸銅水溶液を染み込ませたクッキングペーパーを重ね、亜鉛板を被せる）」
で、亜鉛イオンがどこに行ったかに関心が向いた。十分に放電した後、亜鉛側のペーパー
を洗い出してろ過し、ろ液を蒸発乾固すると白色固体が得られた。これを再び水に溶かし
て２分し、一方に水酸化ナトリウム水溶液を加えていくと、白色沈でんを生じ、再び溶解
して無色の溶液になった。他方には硫化水素を吹き込むと白色沈でんを生じ、亜鉛イオン
の確認ができた。
次に正極の反応の解明に進んだ。もう一度逆ダニエル電池をつくり電圧と電流を計ると、
０.８８Ｖ、７６.０〜９１.５ｍＡであった。
参考：７６.０〜９１.５ｍＡという表現はデジタルテスターの不安定性による。
銅板の表面の汚れから、セロハンを透過して拡散した銅イオンが電子を奪っている可能
性が予想された。代わりに陰イオン交換膜を使うと、銅の表面が汚れなくなり、０.６６Ｖ、
２５.０〜３９.６ｍＡになった。電池のパワーダウンは予想を一部裏付けたが、それがす
べてではないことも示す。
空気中の酸素の影響が予想された、つまり水と酸素が共同で電子を奪っている可能性が
ある。銅板と硫酸亜鉛水溶液を染み込ませたクッキングペーパーを真空ポンプで引いて酸
素を除き、陰イオン交換膜と亜鉛側を被せると、電圧、電流とも桁違いに減少した。水溶
液に溶解した酸素がかなり影響している。これは私にとって予想を越える結果であった。
参考：始め電圧のみを計測していたが、電流も重要であるということでやり直した。
他方で硫酸亜鉛水溶液の酸性（ｐＨ５）から、水素イオンが電子を奪っている可能性も
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ある。それを硫酸ナトリウムに代えると、０.５７Ｖ、１３.５〜３５.０ｍＡであった。水
素イオンのはたらきが支配的とは言えない。
ここで硫酸銅を使わず、水溶液を硫酸亜鉛のみ、硫酸ナトリウムのみにして実験した。
そして電流が時間と共に減少していくことに気付き、これも溶残酸素が水と共同で電子を
奪っていることをうかがわせた。逆に真空ポンプで引いた場合も、１時間ほど空気中に放
置すると、０.１２Ｖ、２１.１ｍＡ（ｍａｘ）と回復した。
備考：このテーマはかなり難しい。スタッフや私の助言も十分には整理できていず、レポ
ートも混乱している部分がある。しかし重要なことを示唆しており、追試する価値
がある。生徒は亜鉛イオンの検出に関心があったようである。なおレポートの電圧
は１桁違っている。
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