【自由研究のヒント】尿素の結晶実験をした結果と考え方

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夏休みの自由研究に最適な尿素の結晶を作る実験。前回は実験前の手順を紹介しました。

夏の自由研究に最適。尿素の結晶を作って観察してみましょう。結晶を作るのは簡単です。条件を変えて結晶のでき方を観察するなど、どのような方針を立てるか、その実験のヒントを紹介します。

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。

前回までのおさらい

尿素の結晶を作る。それだけだと自由研究としては物足りないです。

条件を変えると尿素の結晶できかたに違いができるのかを比較します。

この条件の違いは「ひとつだけ」にすることが大切です。

ひとつ条件の違う環境を作り実験することで結果に違いが出た場合、「ひとつの条件」が実験結果の違いの原因と予測できるからです。

これを『対照実験』と言います。

今回は次の6種類の環境を用意しています。

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。

実験結果

まずは、1日様子を見ました。その結果、すでに違いが表れています。

日程に余裕があれば、1日目から3日目までの経過を観察するのもよいですね。

手前、二つを見てもらって分かる通り、ちょっとはっちゃけて成長する子がいますので、机を汚さないよう気を付けてください。

自由研究へつなげる

この結果からそれぞれを比較して何がわかるかを考えてゆきましょう。

なお、今回の結果から結論は出していません。

自由研究のヒントになればという思いからすべて「~と予想されます」という表現をしています。

この予想が正解か間違いかは実験をして結論を出してください。

なぜ、結晶ができるのか?

物質には、水に溶けることのできる量が温度によって決まっています。

例えば尿素であるならば、20℃の水100gに108gまで溶けます。

水温が上がれば基本的に溶ける量は増えます。

では、この溶け切った状態(飽和水溶液)から水温を下げていくとどうなるでしょうか?

それは溶ける量が減っていきます。

例えば、水温を下げて80gまでしか溶けなくなったとしましょう。

すでに溶け切っている108gの内、28gが結晶として出てきます。

これを『再結晶』と言います。

また、水を蒸発させることで溶け切る量を減らすこともできます。

水を50g分蒸発させると、溶け切る量は半分の54g。

溶け切れなくなった残り54gが結晶として出てきます。

今回の実験ではこの『水の蒸発』を利用します。

対照実験の前に……

<比較対象>
1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
4:尿素水溶液のみ
<条件の違い>
洗濯のりと洗剤の有無
<結果>

この二つを見比べると、明らかに結晶の量が違います。

では、その原因は何でしょうか?洗濯のりか洗剤ですね。

片方かもしれないし、両方かもしれない。

このように、条件の違いが2つあった場合、原因を特定することができないのです。

だから、『対象実験』では、条件の違いを一つにすることが重要なのです。

対照実験:その1

<比較対象>
1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
2:尿素水溶液+洗濯のり
<条件の違い>
洗剤の有無
<結果>

結晶の量が違いますね。結晶を触った感じは同じような硬さでした。

結晶の量が違う理由として、『洗剤の有無』が原因であることが予想されます。

また、硬さが同じようなことから、硬さに洗剤は影響しないと予想できます。

対照実験:その2

<比較対象>
1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
3:尿素水溶液+洗剤
<条件の違い>
洗濯のりの有無
<結果>

コチラも結晶の量が違います。

結晶を触った感じは1番のものより崩れやすいです。

結晶の量が違う理由として、『洗濯のりの有無』が原因であることが予想されます。

対照実験1と併せると、硬さの違いは洗濯のりではないかと予想できます。

また、対照実験1の洗剤なしに比べると、上部まで吸い上げているので、洗剤は『吸い上げやすさ』に関係しているのではないかと予想できます。

対照実験:その3

<比較対象>
1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
5:尿素水溶液+洗濯のり(2倍)+洗剤
<条件の違い>
洗濯のりの量
<結果>

今回、一番成長したのが5番の環境です。

洗濯のりを増やしたら、結晶の量が増えました。

バットの中でちらほら見えている白い結晶は5番の環境から結晶が崩れ落ちてしまったものです。

硬さは若干6番のほうが硬いようでした。

洗濯のりは硬さに影響を与えて、その結果、結晶の『崩れにくさ』に影響しているのではないかと予想できます。

対照実験:その4

<比較対象>
1:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤
6:尿素水溶液+洗濯のり+洗剤(2倍)
<条件の違い>
洗剤の量
<結果>

1番はカップ外に結晶が進出してしまってますので、上部に注目してみます。

結晶の大きさは同じくらい。しかし、その密度は6番のほうが高いです。

それだけ結晶の元である飽和水溶液が吸い上げられているのではと考えられます。

対照実験:その5

<比較対象>
4:尿素水溶液のみ
2:尿素水溶液+洗濯のり
<条件の違い>
洗濯のりの有無
<結果>

洗剤なしの条件で比較してみます。

洗濯のりが入っている方が結晶ができやすいみたいですね。

量は少ないですが、キレイに結晶が横に伸びているのがわかります。

対照実験:その6

<比較対象>
4:尿素水溶液のみ
3:尿素水溶液+洗剤
<条件の違い>
洗剤の有無
<結果>

洗濯のりなしの条件で比較しています。

洗剤が入っているだけでも結晶の量が増えることがわかります。

洗濯のりだけを入れた時よりは結晶は少ないですが、まんべんなく結晶の元が出来ているのがわかります。

どのように研究を広げていくか

例えば、基本的な1番の環境から、洗濯のりもしくは洗剤だけを2倍3倍した比較をしてみると面白いでしょう。

その効果がよりわかりやすくなるかもしれません。

またチャンスがあれば、湿度の高い日と低い日でも比較してみましょう。水分の蒸発量の違いにまで言及できるかもしれませんね。

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