塩化銅水溶液の電気分解(筑波大学附属中学校 荘司隆一先生)

1 授業内容

2012年7月22日に筑波大学附属中学校で「実験実技講習会」が行われました。その実験講習から、中学校理科化学分野の実験「塩化銅水溶液の電気分解」について取り上げました。実際に理科の実験を練習することはあまりできないので、実験の手順を確認することは参考になります。

2 実験概要

塩化銅水溶液の電気分解を、電源装置または手回し発電機(ゼネコン)を使って行います。ゼネコンを使う場合、電極間の距離を変えることにより、ハンドルを回す手応えが変わります。また、ここで使うステンレス電極は、横にすると炭素棒を支える器具として使えるタイプのものです。

3 実験器具・材料

ゼネコン、リード線3本、ステンレス電極、電流計、炭素棒2本、塩化銅水溶液(1%)、ビーカー(100ml)、電源装置、青インキを薄めた液、小試験管、スポイト

4 実験の手順

(実験1)電源装置を使う場合

  1. ビーカーに1%塩化銅水溶液を取り、炭素棒の電極をセットする。
  2. 電流計を直列につなぎ、配線する。
  3. 電流(直流約5V)を流し、約5分経過したら電流を止める。
  4. 陰極を取り出し、表面に付着した物質を観察する。
  5. 陽極付近の液を少量スポイトで取り、青インキを薄めた液に加えてみる。
  6. 炭素棒(電極)同士の距離を変えて、同じ電圧がかかっていても、電流値に違いがあることを確認する。

(実験2)手回し発電機を使う場合

  1. 実験1の電源装置の代わりにゼネコンを使ってみる。
  2. 炭素棒(電極)同士の距離を変えて、ハンドルを回す手ごたえの違いを確認する。
  3. 項番2で、電流値との関係を考える。

(注)このときにハンドルを回す速さ(電圧)を変えないように実験することが重要である。

5 実験結果

(実験1)

  • 陰極では赤茶色の銅が付着していた。
  • 陽極付近の液を青インキを薄めた液に加えると、色がなくなった。
  • 陽極付近の液は、プールの消毒剤のようなにおいがしており、塩素が発生したことがわかった。
  • 炭素棒同士の距離を短くすると抵抗が小さくなるので、電流は大きくなる。

(実験2)

電極間の距離が長いときに比べ、短いときのほうがハンドルを回すときの手応えが重くなった。

6 考察

実験1

塩化銅水溶液を電気分解したときの化学反応式は、

CuCl2(塩化銅) → Cu(銅) + Cl2(塩素)

青インキの色が消えたのは、陽極に発生した塩素の漂白作用によるものである。

実験2

基本的な事項①

  1. 電極間の距離が短くなると、抵抗が小さくなる。
  2. ハンドルを回す速さが速くなると、電圧は大きくなる。
  3. 大きい電力(電圧×電流)を生み出す(正確には、電力量(電力×時間))

ためには、必要なエネルギーは大きくなる。(仕事は大きくなる)
  公式 電力=電流×電圧

→ということは電流=電力/電圧
     抵抗=電圧/電流となる。

基本的な事項②

電極間の距離が短くなると、抵抗は小さくなります。ハンドルを回す速さが同じ(=電圧が一定)ならば抵抗が小さいほうが、電流が大きくなります。そのため、距離が短い方が電力が大きくなり、ハンドルの手ごたえは重くなるのです。(仕事が大きくなる)

基本的な事項③ 

「電流を一定にして比較する」という実験をしている人たちがいました。

電極間距離を短くしたとき、電流を一定にしようとすると、電圧を下げる必要があります。(具体的には、ハンドルを回す速さが遅くなります)したがって、この条件を課して比較をすると、電極間距離を短くすると、電圧を下げることになるので、電力は小さくなり、したがって手ごたえは軽くなります。

7 当日の様子

「実験実技講習会」では、教師になって日が浅い方や教師を目指そうとしていらっしゃる方がたくさん参加されていました。実際に実験器具を用いて実験の練習をすることは環境的に難しいので、参加者のみなさんは貴重な練習や意見の交換などとても満足されていた様子でした。この記事も実験のご参考になれば幸いです。

(編集・文責:EDUPEDIA編集部 坂本一途)

8 講師プロフィール

荘司 隆一(しょうじ・りゅういち)先生

筑波大学附属中学校教諭。

実験に対する考え方「既習の知識を使った探求的な実験」、
「小中高での連携したカリキュラムのスパイラル構造」、
「科学的なモノづくり的な体験としての実験」、
「グループでの活動(学び合い)」
を行うことを基本に考えながら実験の指導を組み立てている。

主著に『イラストでわかるおもしろい化学の世界』(共著)東洋館出版社、『板書とワークシートでみる 全単元・全時間の授業のすべて』(共著)東洋館出版社などがある。

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