マグネシウムの燃焼と質量の変化
(定比例の法則)


 マグネシウムを燃焼させて、燃焼前と燃焼後の質量を比較する実験です。マグネシウムと酸素は3:2の割合で化合するはずですが、なかなかうまくいきません。理論通りにいかない実験の代表格と言ってもよいと思います。成功のポイントは「強く加熱すること」だと思います。


実験のポイント

 陶器の筒のない三角架で思い切り強く熱する。空気も多く入れてゴーという音がする程度に強くする。まわりから黒くなっていき失敗したかなと思うが、やがて輝いて燃焼する。市販の三角架は陶器の筒がついており、ガスバーナーの火がステンレス皿に当たりにくいため十分に加熱することができない。

陶器の筒のない三角架の作り方

準備物
・#16(約1.6mm)のステンレス線
 (60cm1本と35cm1本)
・ラジオペンチ1つと普通のペンチ1つ

 60cmのステンレス線を半分に折って輪をつくり、ラジオペンチではさむ。 
   手でひねって、ねじったところががちょうど7cmになるようにする。
   ペンチでねじって仕上げをする。
   1辺が7cmの三角形になるように35cmのステンレス線を組み合わせ、ラジオペンチではさむ。
   手でひねって、ねじったところが7cm以上になるようにする。
   ペンチでねじって仕上げをする。
   正三角形になるようにラジオペンチではさむ。
   手でひねって、ねじったところが7cm以上になるようにする。
   ペンチでねじって仕上げをする。
   このような形になる。
   余分なところを切って、それぞれが7cmになるようにする。
   三角形の中央から折って、このような形に折り曲げる。
   ラジオペンチではさんで、中央の出っ張りを残して、もとに戻す。
   3箇所とも元に戻す。
   三角形の各辺の中央にへの字型の出っ張りができた。
   形を整えてでき上がり。出っ張りをつけると三角形の辺の長さは6cm程度になる。
   三脚の上に置いたところ。
   ステンレス皿をのせたところ。
   裏から見たところ。
   横から見たところ。3つの出っ張りに支えられているのが分かる。

 マグネシウムは、0.5g程度が実験しやすい。四捨五入の関係で、各班に0.53gずつ配るのが最も良い。

 3分間加熱したあと、よく冷やしてから質量を測る。測定が終わったら、薬さじの背のほうを使って細かくすりつぶし、2回目、3回目を行う。3回とも加熱時間は3分間とする。2回目の加熱では、時々チカチカとかがやくので、燃焼していなかったものがあることが分かる。3回目の加熱では、ほとんどチカチカしない。たまに1、2回する程度である。


実験結果

  実験値  理論値 
マグネシウムの質量(g)  0.53 0.53
1回加熱後の質量(g)  0.83  -
2回加熱後の質量(g)   0.87  -
3回加熱後の質量(g)   0.88  0.88
増加した質量(g)  0.35  0.35

その他

 加熱時間を長くすると1回加熱しただけで理論値に達してしまう。教科書では「加熱するたびに質量が増加するが、あるところから増えることがなくなり一定の値になる。」となっているので、1回の加熱時間は3分程度にする方がよい。

 4回加熱できれば申し分ないが、授業時間内に納めることが難しくなる。また、4回目は生徒がだれてくるという問題もある。

 電子てんびんは0.01gまで計れるものを使用する。安価なものは、繰り返し性や直線性に問題がある場合があるので注意する。予算に余裕がないときは、安いものを何台も買って使うよりも、高くても正確なものをみんなで使う方が良い。値段はやや高いが、音叉式の電子てんびんは目盛りがちらちらしないので使いやすい。今まで使用した中では、ケニス理化学機器 SJ-402-JS 66,000円 (ViBRA 新光電子株式会社製)が最も使いやすかった。

  1回目の加熱が終わったときに、皿にマグネシウムがこびりついて取れなくなる場合があるが、2回目の加熱をすると取れるので無理して取ろうとしないほうがよい。無理して取ろうとすると粉をこぼしてしまったりする。

 ステンレス皿を冷やす時間は、冬期で2分30秒程度、夏期で4分程度かかる。

 学校によってはガスバーナーの火力が弱くて理論値にならないことがある。ガスの出る穴を細い針金などで掃除すると良いが、どうしても火力が弱い場合は、ドリルでガスバーナーのガスの出る小さな穴をかすかに大きくすると良い。もともとの穴の大きさが0.5mm程度なので、0.55mm程度のドリルで大きくするとよい。1mm以下の極細ドリルは非常に折れやすいので、電動ドリルではなく、ハンドドリルやピンデバイスなどを使用する。「リリーフ(RELIFE) 極細マイクロドリル刃セット0.3~1.0mm 20本組」などがあると便利。

 片付けの際、ステンレス皿をきれいにするには、まずうすい塩酸できれいにして、その後、真鍮ブラシでこするとよい。

 銅粉を使用した場合も同じ方法で実験すると理論値を得られる。その場合300メッシュの銅粉を使用すること。(実験結果下の表参照)

  実験値  理論値 
銅粉の質量(g)  0.80  0.80
3回加熱後の質量(g)   1.00  1.00
増加した質量(g)   0.20  0.20

ケ グラフの書き方
  この実験では、グラフを書いてマグネシウムの質量と酸化マグネシウムの質量が比例することを確かめることが多い。そのため、各班ごとにマグネシウム粉末の量を変えてマグネシウムの粉末を配る実践が多いが、私は、全ての班に0.53gずつ配るようにしている。ワークシートに下記のような表を用意しておき、空欄の所に自分たちの実験結果を記入させた後でグラフを書かせるようにしている。この方が、グラフを書く時間も短縮できてよいと考えている。

マグネシウムの質量(g)   0.3   0.5   0.9   1.2   1.5   1.8 
酸化マグネシウムの質量(g)   0.5   1.5   2.0   2.5   3.0 
化合した酸素の質量(g)   0.2   0.6   0.8   1.0   1.2 

コ ステンレス皿の大きさは一般的には8cmであるが、6cmのほうが高温が得られるのでよいとしている実践もある。しかし、混ぜるときには8cm程度あったほうが混ぜやすいので、8cmのものを使用している。

サ 三角架を作るときに最初三角形の1辺が7cmになるようにしているが、できあがりの1辺が6cm程度になるので、やや小さいと感じるかもしれません。その場合は最初のときに8cmにしておくと、できあがりが7cm程度になります 。


参考文献・資料
 陶器のない三角架を使うということが最大のポイントだと思いますが、私のアイデアではありません。平成19年度以前にWebで見たのですが、どのサイトで見たのか分からなくなってしまいました。申し訳ありません。


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