11月6日(火)主催講座12「続・サイエンス教室～実験で身のまわりの不思議をさぐる～」の第1回「温めることと冷やすこと～携帯カイロと瞬間冷却パックのサイエンス～」を花川北コミュニティセンターで行いました。講師は、北海道大学名誉教授でサイエンスアイメンバーの徳田昌生さん、受講者は32名でした。今回は、実験があるので4人一組(一組だけ5人)でグループになって座りました。

 　実験に入る前に、実験に使う材料の説明や実験の手順、温まったり冷えたりするしくみなどの説明がありました。

1.温めること～携帯カイロ

1)使い捨てカイロ

鉄粉、水、活性炭、バーミキュライト、吸水性樹脂、塩類を原材料とし、40℃以上の温度が10時間以上保たれる。

2)実験1の手順

①携帯カイロの粉をペットボトルに入れ、フタをして置いておく⇒どのような変化が起こるか？なぜその変化が起こるのか？

②A,B,C3つの粉10ｇをそれぞれプラスチックカップに入れ、かき混ぜながら0秒、1分後、3分後、5分後の温度を測る。

A：携帯カイロの粉。B：鉄粉。C：鉄粉＋食塩水(数滴)＋高吸水性樹脂(1ｇの高吸水性樹脂に100mlの水を加えたものの一部、小スプーン1)＋バーミキュライト(小スプーン2)。CはBの実験に続けて行う。

3)携帯カイロの原理

鉄がサビるのと同じ。そして、水はサビる反応速度を早める。鉄の酸化反応と水和反応で温まる。

4)携帯カイロのしくみ

鉄粉：酸化反応に不可欠。水：鉄粉がサビるのを早める。活性炭：表面の細孔に空気を取り込み酸素の供給を促す。バーミキュライト：保水。塩類：酸化の反応速度を早める。

カイロ本体：空気を通さない不織布を使用。但し、微孔が開けられていて微量の空気が入るようになっている。外装：空気の侵入を遮断する特殊フィルムが使われている。

使う時には、袋を破って揉むことにより、鉄粉の酸化を促す。

 

2.冷やすこと～瞬間冷却パック

1)瞬間冷却パック

中味は、硝酸アンモニウム＋シリカゲル＋水、あるいは、尿素＋水のものが主に使われている。

2)実験2の手順

①水30mlをプラスチックカップに入れ、温度計で水の温度を測る。

②D,E,F３つの固体物質(10g)をそれぞれ水の入ったプラスチックカップに加え、よくかき混ぜながら10秒、30秒、1分、2分、3分後の温度を測る。

D：瞬間パックの固形物。E：硝酸アンモニウム。F：尿素。

時間があれば、Gとして、水を10mlに減らしたものに尿素10gを入れる。

3)溶解熱について、例として塩(塩化ナトリウム)で説明

㋑塩は、ナトリウムイオン(Na^＋)と塩化物イオン(Cl^－)が静電引力でお互いに引っ張られ、交互に格子状に並んでできている

㋺塩を水に溶かすと、ナトリウムイオン(Na^＋)と塩化物イオン(Cl^－)になり、ばらばらになって溶ける

㋩但し、ばらばらにするためにはエネルギーが必要⇒エネルギーはまわりからもらう⇒まわりから熱を奪ってエネルギーとする⇒吸熱反応(溶解熱)

㋥固体の塩化ナトリウムのイオン結晶をばらばらのイオンにする為に必要なエネルギーは格子エネルギ―と云う。一方、分散したイオンは直ちに周りの水分子で囲まれて安定化(水和)するが、水和すると発熱する(水和熱)。溶解熱は、－(結晶の格子エネルギー)＋(各イオンの水和熱)。

 

　以上の説明の後、二つの実験に入りましたが、徳田さんは「実験でどんな結果が出るか、楽しみです。時間に余裕がありませんので、みなさん手際よく行って下さい」と言って実験を見守られました。

１.の２）実験１

実験に当たって、かき混ぜながら温度を測る人、時間を測る人、記録する人を決めなければなりませんが、どのグループもすぐに決定し、スムーズに実験に入れました。みんなで相談しながら和気あいあいで実験を進めていました。およそ30分で3つの実験が完了。

 

2.の２）実験２

こちらもスムーズに実験が進み、時間があればやることになっていた尿素10gに対して水を10ｍｌに減らした実験も行うことができました。

グループで書き込まれた実験結果票

 

最後に、実験2の結果について、最初から3分後に何℃下がったかを各グループ別に発表して、今回の実験は終了しました。

また、最初の実験で、携帯カイロの粉を入れ、ふたをしておいたペットボトルはどのグループもへこんでしまいましたが、それはカイロの粉がペットボトル内の酸素を吸収したから、との説明もありました。

 

みなさんは、生き生きと楽しそうに実験に取り組んでいました。普段なにげなく使っているものについて改めてサイエンスの目で見つめなおす機会になった大変面白い講座でした。

 

最後に、寄せられたコメントの一部をご紹介します。

「日常使用するものの原理が知れて良かった。様々な実験で温度の上下を実証して勉強になった」

「中学生以来の化学実験だったので、とても面白かったです。普段、何も考えずに使用していましたが、今日の原理を知る事が出来てとても良かったです」

「日常使用している、カイロ、シリカゲル、ポリマーのクールハチマキ(気化熱)等々随分恩恵にあずかっているのが分かり、楽しかったです」

「大変楽しかった。ありがとうございました。先生のお話は大変わかりやすかった。実験の仕方で少々もたついてしまいましたが、納得できました。品物(例えばカイロ等)を買う時、成分をちょっと見る気になりました」