【自由研究のヒント】尿素の結晶を作ってみよう

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多くの小学校で出される夏休みの自由研究。皆さんは何をするでしょうか?

今回は自由研究で人気テーマの一つ『尿素の結晶』を紹介します。

結晶を作るまでの手順と、研究内容のヒントになるテーマを紹介します。

準備するもの

この実験で必要なものを紹介します。

1.尿素

これが無いと始まりませんね。ホームセンターの園芸コーナーで売っています。

1kg500円くらいでしょう。

小分けになっているものは高いし、失敗することも考慮すると1kgくらいあった方がよいでしょう。

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2.洗濯糊

洗濯糊を使います。必ず『PVA』が入っているものにしてください。

『PVA』『PVAL』と書かれていることもあり、正式名称『プロビニルアルコール』です。

糊の成分として使われているものです。

使用する量はほんの数滴です。

しかし、100均でも売っているので用意してください。

※なお、『アラビック糊』など、液体糊の成分もこの『PVA』です。使えるかどうかの評価実験をしてみるのも面白いですね。

3.食器用洗剤

液体の食器用洗剤を数滴使います。家にあるものでほぼ問題ないかと思います。

4.ろ紙

ろ紙なんてどこで手に入れたらいいのでしょう?

たまにホームセンターに売っていますが、今回は手に入らなかったので『コーヒーフィルター』で代用します。

水を吸い上げて、ある程度の強度があればよいのです。

5.入れ物

実験で使う容器です。小分けにできるタイプがいいでしょう。

私は100均で手に入れたフードパックを使いました。

6個入りなので実験がはかどります。

もちろん、家にあるお皿などでもいいのですが、比較する実験をしたいので条件をなるべく合わせたいですね。

6.下敷き

尿素の結晶は思いもよらぬ成長を遂げる場合があります。

容器からはみ出る場合もありますので、念のため下にひくものを用意するとよいでしょう。

机が汚れるのを防ぐこともできますし、実験環境の移動も簡単です。

今回の実験ではプラスチック製のバットを使いました。

これで、多少こぼれても安心です。

用意できないようであれば、せめて段ボールでもひいておくとよいでしょう。

竹串・つまようじ

竹串かつまようじがあれば便利です。竹串に液体を伝わせて分量を細かく量ったり、2,3滴を量るのにちょうどいいです。

実験の準備

ここでは実験の準備を紹介します。

自由研究では、どのように実験の準備をしたかも大切になります。

準備のやり方には実験の結果につながる意味があるのです。

結晶を作るのに必要な尿素水溶液の量は20gくらいなんです。

しかし、用意したのは200g以上。

同じ条件の水溶液を使うことで、条件を変えた時の影響がわかりやすくなります。

これを『対照実験』と言います。

なお、実験の結果や考え方は別の記事で紹介します。

コーヒーフィルターを工作する

結晶を作るためのベースとなります。

コーヒーフィルターで作りました。

コーヒーフィルターはそこそこ丈夫で液体をよく吸ってくれます。

他にも都合のいい材質は多々ありますが、安くて大量に手に入るので都合がよかったのです。

コーヒーフィルターを次のように丸めて……

2カ所をホッチキスで止めます。

すると、このようにコーンのような形になります。

これが尿素水溶液を吸い上げてくれます。吸い上げた尿素水溶液の水が蒸発して尿素が結晶化(再結晶)します。

尿素の飽和水溶液を作る

『飽和水溶液』というのは、もうそれ以上溶けないよというところまで物質(溶質)を溶かした液体のことです。

飽和水溶液になったかどうかは、それ以上溶けなくなったかどうかで判断できます。

しかし、このどこまで溶けるかという『溶解度』は水温が上がると増えていくのです。

尿素の場合、20℃の水には108g溶けますが、40℃の水になると167g溶けるようになります。

尿素と水の重さを量る

ペットボトルを利用して、水100gに尿素110g溶かします。

ペットボトルの重さを差し引いて…

2g多くなってしまいましたが問題ないでしょう。

ここに水100gを入れていきます。これ……溶けるかなぁ?と心配になりますが、大丈夫、溶けます!

ペットボトルなど、口の狭いものに水を入れるときは、『竹串』を活用するとよいでしょう。

尿素と水を混ぜる

さぁ、あとは尿素と水を混ぜるだけです。ご機嫌にペットボトルをふりましょう!

と、ここで面白い現象が起きます。

なんと、ペットボトルが冷たくなるのです。

これは『吸熱反応』と言って、尿素が水に溶ける時、周りの熱を奪うのです。

となると問題が一つ。

『溶解度』は温度が上がると大きくなりますが、温度が下がると小さくなる、つまり『溶けにくく』なるのです。

なので、こうやって4~50℃のお湯で温めながら溶かす必要があります。

お風呂に入りながら溶かすのもいいですが、こぼさないように気を付けてください。

実験用の容器に液を注ぐ

今回は『対照実験』を行いたいので、条件の違いは『ひとつだけ』にしたいのです。

尿素を溶かした「溶液」も条件を同じにするため、一度に作りました。

この溶液を小分けにします。

もちろん、量も同じにしたいので重さを合わせます。

容器の底から5mmくらいあればよいでしょう。

今回の容器だと20gくらいです。容器の大きさに合わせてください。

実験開始

小分けにした尿素水溶液に必要なものを入れていきましょう。

今回、追加で入れるものは『洗濯のり』『洗剤』です。

これらがどのような役割をするか確かめます。

実験する液の作成

今回は次の6種類を用意しました。

1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
2:尿素水溶液+洗濯のり
3:尿素水溶液+洗剤
4:尿素水溶液のみ
5:尿素水溶液+洗濯のり(2倍)+洗剤
6:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤(2倍)

1番の液を基本としています。その配合は以下の通りです。

尿素水溶液:20g
洗濯のり:3滴
洗剤:3滴

5,6番の『2倍』には6滴入っていることになります。

実験の意図

1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
2:尿素水溶液+洗濯のり
3:尿素水溶液+洗剤
4:尿素水溶液のみ
5:尿素水溶液+洗濯のり(2倍)+洗剤
6:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤(2倍)

この6種類を比較していろいろ考えられます。

例えば、1と2を比較することで洗剤の効果が推測できます。

1と3なら洗濯のりの効果ですね。

1と5なら洗濯のりの量でどのような変化が起こるか観察できます。

水溶液にコーンを入れる

最後に水溶液にコーンを入れて実験の準備は完了です。

見分けがつくように付箋紙などを貼り付けておきましょう。

ひと段落

ここでひと段落付きます。

晴れた日なら数時間で小さな結晶が確認できるはずです。

1日経ったあたりから目に見えて違いが見えてくるはずです。

なお、雨の日は結晶ができにくいですね。

蒸発する水分の量が少なくなることが原因です。

次回は、この実験で出来た結晶を紹介します。

自由研究に最適な尿素の結晶を作る実験。前回は結晶を作る手順などを紹介しました。今回は、その結果と自由研究につなげる考え方を紹介します。
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かなな先生
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人物イラスト提供:アイキャッチャー様

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