小学校03 塩酸でアルミニウムをとかす

小学校03 塩酸でアルミニウムをとかす（６年生）

　小学校６年生の実験ですが、うまくいかないことが多い実験です。12月ごろの寒い時期に実施されることが多いため、塩酸にアルミニウムを入れてもなかなかとけません。とけはじめても、とけるのに時間がかかり、授業時間内で終わらないこともあります。授業時間内に終わらせるにはどうすればよいのでしょうか。
　冬季でも、手軽に実践できる方法を考えてみました。ポイントは、あらかじめ塩酸を使い捨てカイロで25℃程度に温めておくことです。

※ 夏季など気温が高い時期には、塩酸を温める必要はありません。たとえば室温が25℃で、実験開始時の塩酸の温度も25℃の場合、約8分後には激しい反応となります。

※ 塩酸の入った試験管は、お湯（ぬるま湯）で温めることもできます。お湯（ぬるま湯）を使った温め方については、このページの最下部をご覧ください。

【準備物】
１　使い捨てカイロ　ファミリーマートで購入
２　塩酸（９％）　スマートスクールで購入　１L　2,871円
　〔規定度では2.6N、モル濃度では2.6mol/L　になります。〕
３　アルミホイル　「サンホイル」　25cmx7m　厚さ11ミクロン
４　スチールウール　「ボンスター」　
５　試験管立て（ステンレスワイヤー製　18ｍｍ用　50本立）三和化研　ウチダスで購入　3,030円　
　〔ビーカーやステンレスマグカップなどで代用することもできますが、試験管立てに比べると温度が上がりにくいので、できれば試験管立てを使ってください。詳しくはこのページの最下部【ビーカーやステンレスマグカップを使う方法】を参照。〕
６　駒込ピペット（5mL用）またはマイクロピペット（１～10mL用）〔詳しくはこのページの下部【その他、詳しい内容について】を参照〕　

【事前準備】
１　アルミニウム片をつくる。（下写真参照）
　・アルミニウム箔（幅25cm　厚さ11ミクロン）を適当な長さ（20ｃｍ程度）に切る。
　・1.5cmの幅で折り返して細長くする。折り返すたびに少しずつ太くなるので、幅が1.8cm程度になる。
　・5mmごとに線を入れる。（シャーペンや竹串などで筋をつけるだけでよい。）
　・はさみで切り取る。（できるだけ実験の直前に切るようにする。これは、切り口のところが反応しやすいためである。）
　・できあがったアルミニウムの小片は１つが0.035ｇになる。
　・アルミニウム片は丸めるよりも板状にした方が変化の様子がよく分かります。

２　スチールウールは0.1ｇを軽く丸めて球状にする。

３　試験管に９％の塩酸3.3mLを入れ、温める。
　・使い捨てカイロを袋から出し、よく振ったりもんだりしてから試験管立てに敷く。
　・塩酸の入った試験管を使い捨てカイロの上に置いて温める。下写真の試験管立ての場合、20本程度を一度に温めることができる。
　・使い捨てカイロで温める場合、塩酸が25℃になるのに、室温20℃の時で40分程度、室温17℃の時で60分程度かかります。その後は、温め続けても30℃程度までしか上がりません。そのため、実験の60～90分前にセットしておくようにします。

【塩酸を温める理由】
　・冬季は室温や塩酸の温度が低く化学反応が進みにくいため、あらかじめ塩酸を温めておく必要がある。

【注意事項】
※うすい塩酸の濃度（9％）や量（3.3ｍL）を守って実験してください。理由は次の通りです。
　理由① うすい塩酸の量が多いと、反応が激しくなった際に、試験管からうすい塩酸があふれることがある。
　理由② 実験後のうすい塩酸を、次の実験の「塩酸にとけた金属は、とけた液の中でどうなっているか調べる」に使います。その際に塩酸の濃度が濃いと危険です。このレポートでは、実験後の塩酸の濃度が非常にうすくなるように、薬品の濃度や量を計算しています。　

【実験方法】
１　温めた塩酸（22～27℃）にアルミニウム片や鉄（スチールウール）を入れる。（アルミニウム片はできれば実験の直前に切るようにする。これは、切り口のところが反応しやすいためである。）
２　鉄（スチールウール）は、塩酸に入れるとすぐにとけて気体が発生する。その後も気体が発生しつづけるが、大きな変化はなく授業時間内に全部はとけない。次の日にはすべてとけてなくなっている。
３　アルミニウム片は、入れた直後はほとんど変化がないが、だんだんと反応がはげしくなる。13～15分ごろに最も反応が激しくなるので、蒸気を吸い込まないように気をつける。激しい反応から２分後にはすべてとけて、液全体が灰色になる。その後は、時間がたつにつれ、だんだんと透明になっていく。

【その他】
１　実験時間が長いので、集中を切らさないようにするために記録を取らせるようにする。
　　【ワークシート】「実験結果の記録表」
２　アルミニウムや鉄のとけた水溶液は、次の実験「塩酸にとけた金属は、とけた液の中でどうなっているか調べる」に使うので、捨てないでとっておくこと。また、アルミニウムの方は、塩酸の濃度を下げるために、授業後にアルミニウム片（0.035ｇ）をもう一つ入れておく。次の日にはそれもすべてとけて透明に変わっています。鉄（スチールウール）の方は、そのままでも濃度が十分に下がるので、ほっておいたのでかまいません。

【実験結果】
令和５年12月４日　
室温13℃　実験開始時の塩酸の温度25℃
９％の塩酸3.3mL　
アルミニウム（アルミ箔）0.035ｇ　鉄（スチールウール）0.1ｇ
※ 実験のためわざと室温を低めにしていますが、実際の授業では暖房を入れて室温を高くしてください。

20秒後　アルミニウムはほとんど変化なし。鉄はすぐに泡が出始める。

３分後　アルミニウムに泡がつく。

５分後　アルミニウムから泡が上がり始める。

８分後　アルミニウムから泡がさかんに上がり始める。

11分後　アルミニウムの反応が激しくなってくる。　　

13分後　このころが最も激しい反応となる。　　

15分後　反応はおさまり、アルミ箔の形はなくなり、全体が灰色になる。　　

25分後　やや濁っているが、かなり透明になる。　

【動画】上記の実験のビデオ「塩酸にアルミニウムをとかす」（４倍速）

【温度の違いによる反応時間の比較】

	金　属	室温	実験開始時の塩酸の温度	激しい反応になるまでの時間
A	アルミニウム（アルミ箔）0.035ｇ	17℃	25℃	13分
B	アルミニウム（アルミ箔）0.035ｇ	17℃	17℃	18分

【動画】上記の実験のビデオ「温度の違いによる反応時間の比較」（４倍速）

【その他、詳しい内容について】
１　アルミニウムや鉄のとけた水溶液は、次の実験「塩酸にとけた金属は、とけた液の中でどうなっているか調べる」に使う。塩酸を加熱するときに濃度が濃いとにおいがするので、アルミニウムについては実験後、アルミニウム片（0.035ｇ）をもう１つ入れてとかして濃度を下げておく。鉄の方はそのままでよい。
　アルミニウムや鉄がうすい塩酸と過不足なく反応する量については、アルミニウム約0.07ｇや鉄約0.145ｇが９％の塩酸３ｍLとちょうど過不足なく反応する。今回の実験では、やや余裕をもたせるため、うすい塩酸3.3ｍLにアルミニウム0.07ｇと鉄0.1ｇをとかすようにしている。
２　入れた直後にアルミニウムの反応が起こらないのは、アルミニウムの表面には酸化皮膜ができているためである。一般的なアルミ箔にコーティングはされていない。（焦げ付かないアルミ箔はシリコンでコーティングしてある。）
３　理科室の室温が高い方が反応にかかる時間は短くなるので、できるだけ理科室を暖めておくとよい。
　また、夏季など気温が高いときは塩酸を温める必要はない。例えば室温25℃、実験開始時の塩酸の温度25℃の場合は８分後には激しい反応となる。
４　塩酸の濃度を濃くして反応時間を短くすることもできるが、安全性の面から望ましくないと考える。小学校の先生が手軽に手に入れることができるのは、スマートスクール等に出ている９％の塩酸であるため、今回の実験ではそれを使用している。
５　うすい塩酸をはかり分けるには「駒込ピペット（ガラス）5ｍL　665円」でもできますが、10ｍLまではかれるマイクロピペットがあると便利です。安価なものとしては、「ケニス　マイクロピペット　１－１０ｍＬ　ＢＤＬ－１００００　8000円」（下写真）がおすすめです。ネットで探すともっと安価な製品（例えば3000円ぐらい）もありますが、安すぎる物はピストンが重くて使いものになりません。マイクロピペットは値段は安くありませんが、あっという間に分注できますから、理科室に１つあると便利です。「ケニス理科機器」等のカタログから購入できます。
　※　マイクロピペットの使い方はこちら

６　「駒込ピペット（ガラス）5mL」は、理科ウチダス等で購入できます。シリコン製のゴム帽のものがよいと思います。駒込ピペットは先端部が非常に割れやすいので取り扱いに注意してください。
　本体がガラス製ではなく樹脂製の駒込ピペットもありますが、目盛りが不正確です。その場合は、水は１ｍLが１ｇであることを利用して、上皿天秤等に水を１滴ずつ落として、どこまで水を吸い上げたら正確な3.3mLになるのかを調べることができます。

【ビーカーやステンレスマグカップを使う方法】

　・適当な試験管立てがない場合は、ビーカーやステンレスマグカップを使って温めます。100均の水切り網の上にカイロを置き、その上に試験管の入った容器を置きます。水切り網の上に載せるのはカイロに酸素を供給するためです。300mLのビーカーの場合、試験管が11本入ります。ステンレスマグカップは100均で200円で購入しました。
　・ビーカーやステンレスマグカップを使う場合、室温が低いとなかなか温まらないことがあるので、暖房を入れて室温を20℃程度にしておきましょう。

【試験管立て・ビーカー・ステンレスマグカップによる温度上昇の違い】

① 室温が20℃の時
〔室温が20℃だとビーカーでも十分に温度が上がります。試験管立ての場合40分ぐらいで25℃以上になります。〕

時間	試験管立て	ビーカー	ステンレスマグカップ
はじめの温度	10℃	10℃	10℃
20分後	21℃	18℃	19℃
40分後	27℃	22℃	25℃
60分後	29℃	25℃	28℃

② 室温が９℃の時　
〔室温が９℃だと試験管立てを使っても温度が上がりません。試験管立てを使った場合でも、室温は最低でも13℃、できるだけ17℃以上にしてください。〕

時間	試験管立て	ビーカー	ステンレスマグカップ
はじめの温度	10℃	10℃	10℃
20分後	16℃	12℃	12℃
40分後	19℃	15℃	15℃
60分後	20℃	16℃	16℃

【塩酸をお湯（ぬるま湯）で温める方法】

　カイロではなく、お湯で温めることもできます。試験管をタオル等で拭いてから配る必要がありますが、短時間（１～５分程度）で温めることができます。

〔実験方法〕

① 試験管にうすい塩酸を3.3ｍLずつ入れたものを11本用意する。

② 電気ポットで45℃のお湯をつくる。
　下写真の電気ポット ZOJIRUSHI CD-PB の場合、水温が45℃になったときに、タイマーのボタンを押すと、お湯は出るけれども加熱はストップした状態になります。（注：タイマーのボタンを押すと、お湯が出なくなる電気ポットもあります。）10℃の水３Lを45℃にするのに、約７分かかります。　

③ 500mLビーカーに45℃のお湯を200mL入れる。ビーカーに入れると、冷えて40℃程度のお湯になる。

④ ③のビーカーに①の試験管を11本入れる。（１本は温度計をさしておく。）

〔結果〕うすい塩酸の温度変化については下表の通り　〔室温14.2℃　最初のうすい塩酸の温度10.4℃ の場合〕　

時間（分）	温度（℃）
０	10.4
１	27.6
２	29.3
３	29.5
４	29.7
５	30.1
10	29.3
15	27.8

※ ビーカーから試験管を出すと、少しずつ温度が下がっていきます。室温が14.2℃の場合だと１分間に約１℃ずつ温度が下がっていきます。室温を高くしておくと温度が低下する割合が小さくなります。