Transcript 電子メロディー
物質の変化を粒子で考えよう メニュー：１～５の番号をクリックしよう すべての物質は粒子からできている。 水、ろう、空気中の酸素、エナメ 気体の捕集方法 ル線、等々。粒子とは、原子、 分子、イオンをまとめて表す言 葉である。一つ一つの粒子に 酸性とアルカリ性 はそれぞれ大きさがあるし、質 量だってある。粒子の結合の仕方 状態変化 や集まり方によって物質の性質が決 まるのである。粒子の振る舞いを考え 電池 ることによって、化学の不思議が理解 できてくる。 ※実験上の注意 １ 化学変化 ２ ３ ４ ５ 物質を粒子で表す（常温、常圧） 固体（金属） 固体（非金属） マグネシウム 炭素 銅 酸化マグネシウム 酸化銅 液体 水 気体 水素 酸素 原子が数個結合して 分子となる 原子やイオンが多数 結合して固体となる 化学変化を粒子で考えよう マグネシウムの燃焼 燃焼（酸化） 酸化マグネシウム マグネシウム 酸素 マグネシウム（固体）は、空気中で 燃焼（酸化） し、 酸素（気体） と化合して 酸化マグネシウム（固体） になる。 式で表してみよう マグネシウム ＋ 酸素 → 酸化マグネシウム ＋ 多数の原子の 集まり 気体としてこの 形となっている → １：１で集まっ た粒子の集まり 銅の酸化 酸化 酸化銅 銅 酸素 銅（固体） は、空気中で 酸素（気体） と化合して 酸化銅（固体） になる。 酸化 し、 式で表してみよう 銅 ＋ 酸素 ＋ 多数の原子の 集まり 気体としてこの 形となっている → 酸化銅 → １：１で集まっ た粒子の集まり 炭素の燃焼（酸化） 燃焼（酸化） 炭素（固体） は空気中の 酸素(気体） と化合（燃焼、酸化）して 二酸化炭素(気体） となる。 式で表してみよう 炭素 多数の原子の 集まり ＋ 酸素 → ＋ → 気体としてこの 形となっている 二酸化炭素 気体として自由に 飛び回れる 水素の燃焼（酸化） 爆発 爆発 水素（気体） と 酸素（気体） の混合気体に点火すると 爆発的に反応して、 水蒸気（気体）、水（液体） ができる。 式で表してみよう 水素 気体としてこの 形となっている menu ＋ 酸素 → ＋ → 気体としてこの 形となっている 水蒸気、水 気体として自由に 飛び回れる 温度が低ければ液 体の水 指導者のための解説編 金属結合について 加熱 マグネシウム原子 振動していて 隙間がある 振動が激しくなり、 体積が大きくなる 金属の性質 非常に多くの原子が 結合している 実際には複雑な配列 電子は自由に動けるので 固体や液体は、 ・電気、熱をよく伝える 高温になると、体積は大きくなる。 電子が原子を結びつけて そのとき、質量は変わらないので、 るので、原子の配列が変 高温では密度は小さくなる。 わっても結合力は変わら 自由電子 ない ・展性、延性がある 陽イオン 原子 水分子について ・酸素原子は正の電荷に偏っている。 ・水素原子は負の電荷に偏っている。 ・液体や固体の時は、ある水分子の 酸素原子と、他の水分子の 水素原子の間で結合がはたらく。 水は 固体の方が体積が 大きい。 固体の方が密度が 小さい。 氷は水に浮く。 ・この結合を水素結合という。 固体:振動が弱く水素結合のた めに、隙間ができる。 液体：振動など が強くなり隙間 が小さくなる。水 素結合に少し打 ち勝ち移動や回 転ができる。 menu グラフをかこう １．次の画面が出たら、左クリックから「スライドショ－の終了」を選ぶ（図1となる） ２．両サイドにある画面は消しても良い→左下のマークで復活できる ３．左の数字を、左クリックでドラッグしながら表の適当な空欄に持って行く ４．表の下にある点 をドラッグしながらグラフに打つ ５．赤のラインをドラッグなどして、点を結ぶ 終了後「上書き保存しないこと」 消 し た 方 が み や す い 消 し た 方 が み や す い 復 活 す る 図 1 金属を熱したときの質量の変化をグラフにしよう マグネシウムの質量（ ｇ） 酸化マグネシウムの質量（ ｇ） 化合した酸素の質量（ ｇ） 0.4 0.6 0.66 0.99 0.8 1 1.2 1.4 1.32 1.66 1.99 2.32 0.39 0.92 0.26 0.66 0.52 0.79 化 合 物 の 質 量 （ ｇ ） グ点 ラを フ打 にち し、 よ線 うを 引 い て 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 入表 れに よ う 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 金属の質量（ｇ） 1.4 menu 上方置換：空気より軽い気体（水に溶けて） 空気 空気より軽い粒子 軽い粒子 入ってくると が 重い空気 が 追い出される 底 上の方から 軽い粒子が たまってくる 下方置換：空気より重い気体（水に溶けて） 重い粒子 入ってくると が 軽い空気 が 追い出される 空気 下の方から 重い粒子が 空気より重い粒子 底 たまってくる 水上置換：水に溶けにくい気体 上の方から がたまる は水に溶けない 気体 気体のたまった量が 水面の高さでわかる 空気と混ざらないので 純粋な気体が捕集できる 水分子 気体の例 上方置換：水に溶けて、空気より軽い気体 （密度が小さい） アンモニアNH3 下方置換：水に溶けて、空気より重い気体 （密度が大きい） 二酸化炭素CO2（多量） 塩素Cl2 塩化水素HCl 水上置換：水に溶けにくい気体 水素H2 酸素O2 窒素N2 二酸化炭素CO2（純粋） menu 指導者のためのコーナー 固体の密度は何によって決まるか わかっていること 粒子１個の大きさはそれぞれ異なる 密度は、 粒子１個の質量はそれぞれ異なる 粒子のおおきさ 粒子はぎっしり詰まっている 密度＝ ① 粒子１個は重いが全体の 体積が大きい ① 質量 粒子の質量 粒子のつまり具合 体積 によって決まる ② 粒子１個は軽いが 全体の体積が小さい ② ③ ①と②の中間である が、 密に詰まっている。 ③ 気体の密度は粒子の質量によって決まる 気体の密度は何によって決まるか？ アボガドロの法則 同体積中には同数の気体の分子が存在する 分子の大きさは空間の広がりに比べると無視できる 分子は種類によって大きさが異なる 水素 酸素 空気（混合物） 気体分子の質量は何によって決まるか？ 気体分子にはそれぞれ質量がある 気体分子の質量は分子量により比較することができる 原子量 水素原子：１ 炭素原子：１２ 窒素原子：１４ 酸素原子：１６ 気体分子の分子量を求める 重い順に 水素分子：Ｈ２ 窒素分子：Ｎ２ 酸素分子：Ｏ２ アンモニア分子：ＮＨ３ 二酸化炭素分子：ＣＯ２ １＋１＝１×２＝２ １４＋１４＝１４×２＝２８ １６＋１６＝１６×２＝３２ １４＋１＋１＋１＝１４＋１×３＝１７ １２＋１６＋１６＝１２＋１６×２＝４４ 空気（酸素:窒素＝１：４） （３２×１＋２８×４）÷５ ＝２８.８ 上方置換or下方置換は、この数値が基準となる menu 解説編 気体の捕集方法について 水上置換では純粋な気体が捕集できる 水面の高さにより捕集された量がわかる 水に溶ける気体は使えない 上方置換や下方置換では、空気と混ざってしまう 空気より 水に 水素 アンモニア 窒素 溶ける 軽い 酸素 置換法 上方 多量に捕集のとき 少し溶ける 下方 溶けにくい 水上 二酸化炭素 重い 酸性とアルカリ性 酸性 水素イオンH アルカリ性 粒子 ＋ 水酸化物イオンOH － 赤色に変える リトマス紙 青色に変える 黄色に変える ＢＴＢ溶液 青色に変える 溶かして、 二酸化炭素発生 鉄、亜鉛、アルミニ ウムなどを溶かして、 水素発生 石灰石 金 属 タンパク質 アルミニウムを溶かして、 水素発生（水酸化ナトリウム） 溶かす 酸性、アルカリ性を決めるのは何か？ 水溶液中には 酸性を示す： が多い 酸性 と アルカリ性を示す： 同じ数 中性 がある が多い アルカリ性 酸性とアルカリ性の強さ ｐＨ １ 中性 酸性 強い ２ ３ ４ ５ ６ アルカリ性 ７ ８ １０ 水 虫さされ液 １２ 強い １３ ＢＴＢ溶液 リトマス紙 トイレ 洗浄液 食酢 酸性を示す 炭酸水 水(中性) カビとり 洗剤 アルカリ性を示す 塩酸と水酸化ナトリウム水溶液を中和する 食塩水（中性）になる 塩 酸 水酸化ナトリウム水溶液 ナトリウム 水酸化ナトリウム 塩化水素 塩素 酸性を示す 水(中性) アルカリ性を示す 塩酸に水酸化ナトリウム水溶液を 少しずつ加えていくと？ 水酸化ナトリウム １ ６ １１ ７ ４ ２ ９ 塩酸 ｐＨ（イメージの値） 水分子は描かない 指導者のためのコーナー menu ちょうど中和しているとき(中性）の状態は？ 水は、わずかに電離している。中性の水でもＨ＋やＯＨ－はある。 水溶液の水は電離している。 Ｈ２Ｏ ← → Ｈ＋ ＋ ＯＨ－ 塩酸と水酸化ナトリウム水溶液でちょうど中和していても Ｈ＋やＯＨ－はある。 これも電離している↓ ＨＣｌ ＋ ＮａＯＨ → ＮａＣｌ ＋ Ｈ２Ｏ ＋ 酸性やアルカリ性のとき、Ｈ － とＯＨ は？ 水のイオン積［Ｈ ＋］［ＯＨ－ ］＝１×１０－１４ (mol/l) ２ ↑ ↑ どちらかが０になることはない。 酸性だろうが、アルカリ性だろうが、Ｈ＋やＯＨ－は必ず存在する のである。 酸性の水溶液には、ＯＨ－がわずかに存在し、アルカリ性の水溶液には、Ｈ＋ はわずか に存在しているのである。 粒子の特徴 粒子とは、原子・分子・イオンの総称 ・粒子は物質の種類によって大きさが決まっている ということは起こらない ・粒子は新しくできることはない ということは起こらない ・粒子は消えてなくなることはない ということは起こらない ・粒子は振動したり、運動したりしている ということをしている 液体を加熱すると 気体となってビニール袋がふくらんだ。 どうしてでしょう？ 下の考え方はちょっと違っています。 何がおかしいのでしょう？ １ 粒子の数が増えた ２ 粒子が大きくなった 固体の状態 ・それぞれの粒子はその場で振動している。 ・粒子と粒子は近づいている。 ・全体の形は決まっている。 加熱すると→粒子の運動が激しくなり、すき間が 少し大きくなり、体積が少し広がる。 →液体へと変化する 液体の状態 ・それぞれの粒子は回転や移動している。 ・粒子と粒子は近づいている。 ・容器によって全体の形が決まる。 加熱すると→粒子の運動が激しくなり、自由に動け るようになり、体積が大きく広がる。 →気体へと変化する 気体の状態 ・それぞれの粒子は自由に飛び回る。 ・粒子と粒子は大きく離れている。 ・ビニール袋に入れると、ビニール袋はふくらむ。 加熱すると→粒子の運動が激しくなり、 空間が広がる。 状態変化 自由に動けるようになり 体積が急激に大きくなる 気体 加熱すると 振動が激しくなり 温める 固体 さらに加熱 すると 体積が増える 液体 状態変化による空き缶つぶし 密閉された缶の中と外で 粒子の数（密度）が同じ 外の粒子が缶に 衝突する圧力 内の粒子が缶に 衝突する圧力 缶の中の 空気粒子 缶の外の 空気粒子 同じ大きさの 圧力である 缶は つぶれない 状態変化による空き缶つぶし 穴の空いた缶に 少しの水を入れ 温める 水は水蒸気（気体） となり缶内に広が り中の空気 を追い 出す 水（液体） 温める 穴が空いているので 中と外の圧力は変わ らず缶はつぶれない 状態変化による空き缶つぶし 加熱器具から降ろして 缶をふたして 缶を水で冷やす 缶内の水蒸気 が 冷やされて水になる と 缶内の気体粒子の数が 減り、圧力が下がる と 缶がつぶれる menu 指導者のためのコーナー ドルトンの原子説 ① すべての物質は、それ以上分割できない小さな粒子 である原子からできている。 ② 同じ元素の原子は、質量や性質が同じで異なる元素 の原子は、これらが異なる。 ③ 化合物は、異なる原子が決まった数で集合している。 ④ 化学変化は、原子の集まり方が変わるだけで、原子 はなくなることも、新しく生まれることもない。 現代科学とは、異なる項目もあるが、粒子を考える上で参考とはなる。 ①について：原子は陽子、中性子、電子などに分割できる。 物質は、原子、分子、イオンの小さな粒子からできて いる。 ④について：核分裂反応や核融合反応により、原子は変化する。 質量保存の法則 反応前の物質の質量の総和と、反応後の物質の質量の 総和は等しい。 定比例の法則 ある化合物を構成している成分元素の質量比は、常に 一定である。 倍数比例の法則 ２種の元素Ａ，Ｂからなる化合物が２種類以上あるとき、 元素Ａの一定質量と化合する元素Ｂの質量の間には、簡 単な整数比が成り立つ。 気体反応の法則 気体間の反応においては、反応または生成する気体の体 積は、同温・同圧のもとで簡単な整数比となる。 電子配置 ＋ 電子の入る場所を電子殻という Ｍ殻：最大１８個入る Ｌ殻：最大８個入る Ｋ殻：最大２個入る Ｋ殻は２個で安定、 Ｌ，Ｍ殻は８個で安定となる。 核（何個かの陽子：「正電荷」をもつ） 水 素（１） ナトリウム（11） ＋１ 電子:「負電荷」をもつ +11 塩 素（17） +17 イオンとイオン結合の生成 － ＋ +11 +17 ナトリウム原子 塩素原子 ナトリウムイオン（陽イオン） 塩化物イオン（陰イオン） 電荷の力で近づいて、結合する。（イオン結合） の電子をあげる に電子をもらう ナトリウムイオン 規則正しく結合し、固体となる 塩化物イオン 共有結合と分子の生成 +１ 水素（１） +８ 酸素（８） +１ 水素（１） 互いに電子を共有し安定な電子配置となる 共有結合という。 水分子は次々と結合しない 酸素原子 分子の形で自由に振る舞える 水分子 氷は水分子が水素結合で結合 したもの 水素原子 menu イオン結合と共有結合の違い ＋ ー 引き合う 引き合う +11 引き合う +17 静電気力 静電気力 静電気力 ナトリウム原子 塩素原子 の電子はあげやすい +１ 水素原子 の電子はあげにくい +８ に電子をもらいやすい お互いに電子を共有する 酸素原子 に電子をもらいやすい 電池の準備 電池に必要なのは ２種類の金属 アルミニウム、銅、マグネシウムリボンなど 電気を通す水溶液 塩水、清涼飲料水、ミカンなど 導線 電子メロディ ワニ口クリップ 小さな電圧でも鳴る。豆電球は大きい電圧 が必要 アルミニウム製の洗濯はさみでも良い 紙ヤスリなど 金属の表面をみがくため 銅と亜鉛の電池（ボルタ電池） －どうして、電気ができるの？－ 電子メロ ディー １ 亜鉛が溶ける 電子が残る ２ 亜鉛 負極 銅 正極 希硫酸 電子が亜鉛から銅に 移動する 導線とオルゴールを通って ３ 銅で水素が発生する そのとき電子が使われ る 水溶液には水素が多数ある ※ 導線に電子が流れて 電流が発生する 電子 水素 電子の流れと電流の向きは逆 果物電池 ：２種類の金属（マグネシウムと銅）と 電気を流す水溶液（パインの汁） 電子メロディー 電子が音を鳴らす 電子が銅へ流れる 負極 マグネシウム 銅 正極 マグネシウムが溶ける 電子が出る 電子が使われる 電子 果物 ※使用後の果物は食べられません。 お湯と反応する お湯電池 ：金属（マグネシウム）と備長炭とお湯 電 子 メ ロ デ ィ ー 備長炭 備長炭 マグネシウム リボン 備長炭にペーパータオルを巻く お湯 ペーパー ペーパー タオル タオル ペーパータオルをマグネシウム リボンで巻く 電子メロディーにつなぐ マグネシウムリボン：負極 備長炭：正極 お湯に浸す 燃料電池 ：水素と酸素から水ができる 導線 水素と電子が 分かれる 負極 水素 電イ 子オ はン 通を さ通 なす い 電解質 分水 け素 ると 触電 媒子 を 酸素(空気) 電子 menu 正極 酸素を 電 子 メ ロ デ ィ ー 取り込む 電子は導線 を通る 酸素、水素、 電子で水となる 指導者のためのコーナー 金属のイオン化傾向とは何ですか？ 亜鉛 ・亜鉛は酸により、陽イオンになって溶ける ・そのとき、電子は水溶液には入らず、金属 に残る ・水溶液の水素イオンは電子と結合して気体 の水素になる ・水素は亜鉛の表面から発生する ・溶けやすさは金属の種類により異なる 銅は希硫酸には溶けない ・溶けやすさのことを 金属のイオン化傾向という ・イオン化傾向の大きいものは 陽イオンになりやすい イオン化傾向大きい 銅 銅 は 希 硫 酸 に は 溶 け な い 希硫酸 水素イオン 電子 イオン化傾向小さい アルミニウムＡｌ＞亜鉛Ｚｎ＞鉄Ｆｅ＞銅Ｃｕ＞金Ａｕ 金属のイオン化列という 起電力の発生 亜鉛が溶け 亜鉛極に電子が生じる 電子が 多数生じる 電子メロ ディー 銅がなければ 亜鉛極で水素 が発生する 電子は電子の少ない 銅へ流れる 亜鉛 銅 電子は、水素イ オンと結合する 前に銅へ流れる 電子は水溶液 を通らず、導線 を通る 銅では電子が消費される 銅に電子がた まると亜鉛から 電子がこない 希硫酸 繰り返しで電子が流れ 続ける 電子 水素イオン 電子の流れと 電流の向きは逆 銅が正極、亜鉛が負極 起電力の大きさとは何ですか？ 陽 イ オ ン に な り や す い マグネシウムＭｇ アルミニウムＡｌ 亜鉛Ｚｎ ・上下の差 水素Ｈ２ 銅Ｃｕ が起電力 銀Ａｇ ・差が大きいほど 金Ａｕ 電球は明るくつく 電極に、 亜鉛と銅を使うより、 マグネシウムと銅を 使う方が起電力は 大きくなる 水圧で考えてみる 水タンク 水タンク 水圧が大きい 水圧が小さい 水素は電極中の 燃料電池 ：水素と酸素から水ができる 触媒の働きで、 電子を切り離す。 導線 燃料 水素 排ガス 燃料極(ー) 電イ 子オ はン 通を さ通 なす い 電解質 分水 け素 ると 触電 媒子 を 水素イオンは 電解質の中を 通り、電子は 電 子 導線を通る。 メ ロ デ 電解質の中を ィ ー 移動した水素 空気極(＋) 酸素(空気) イオンは、反対 水蒸気と 残空気 menu 側の電極に送ら れた酸素と、導 線を通ってきた 電子と反応して 水になる。 エタノールを温めるとき 直接熱したり、火のそばに置いたりしてはいけません エタノールの沸点は７８℃ 水より沸騰しやすいし、気体になりやすい とても火がつきやすい 試験管に沸騰石を入れる エタノールを入れる 湯が沸騰したら火を止める 試験管を入れる 水素を集めて火をつけるとき 水素を水上置換で捕集する 栓をして、水素の発生装置から離す 点火する 水素→ menu