キーコンセプト
化学
ガス
化学反応
熱分解
はじめに
重曹は料理に最適なだけでなく、科学プロジェクトでも役に立つ化学物質です。 重曹と酢の反応で自家製火山を噴火させたり、ボトルロケットを空中に打ち上げたり、酸や塩基を検出したりすることは、おそらく皆さんも聞いたことがあるでしょうし、使ったことがあるかもしれません。 しかし、重曹の力を借りれば、もっと多くの化学反応を体験することができます。 そのうちのひとつが、重曹が痩せる分解反応と呼ばれるものです。
背景
化学物質には、新しい物質をつくる合成反応や、通常物質が酸素と反応して熱というエネルギーを発生させる燃焼反応など、さまざまな反応があります。 また、合成反応とは逆の反応である分解反応もある。 化学物質が分解されると、分解されて2つ以上の別々の化合物になります。 ほとんどの化学化合物はかなり安定しており、自然に分解することはない。 それらの化学結合を壊すには、多くのエネルギーを投入しなければならない。
化学物質が熱、放射線、電気、光などの十分なエネルギーにさらされると、分解されます。
一部の化学物質や処方薬が暗いガラス瓶に保管されているのは、この分解反応のためなのです。 化学物質が分解されると、その化学的性質が変化してしまうため、分解させたくない場合がよくあります。
重曹 (炭酸水素ナトリウム、NaHCO3) は、加熱すると分解反応を起こす可能性のある化学物質です。 華氏 176 度 (摂氏 80 度) 以上の温度で、炭酸水素ナトリウムは 3 つの化合物に分解し始め、炭酸ナトリウム (Na2CO3)、水 (H2O)、二酸化炭素 (CO2) を生成します。 この反応は、料理やお菓子作りの際に毎回利用されています。 炭酸ガスが発生すると、焼き菓子が膨らむんですよ。 炭酸水素ナトリウムは、温度が高いほど早く分解されます。 炭酸ナトリウムだけが固体として残ります。 炭酸ガスも水も温度が高いと気体になるので、周囲の空気に消えていきます。 この損失は実際に測定できます。重曹をいくつか用意し、この活動でその方法を見つけてください！
材料
- オーブン用の皿 2 枚
- スプーン
- 重曹
- デジタルスケール (0. が好ましい)。1-gram increments)
- Oven
- Oven mitts
- Adult helper
- Heat-safe surface
- Timer
- Paper and pen or pencil
Preparation
- Preheat your kitchen oven to 200 degrees F (about 93 degrees C).
- Switch on the scale and zero it.
- Put the first plate onto the scale. その正確な質量を書き留めます。
- Then zero the scale again and add 15 grams of baking soda with a spoon.
- Add the mass of the empty plate to the mass of the baking soda to calculate their combined weight. Write down your result on a sheet of paper.
- Repeat these steps with the second plate. Make sure to remember which plate is which. You can label them if you like.
Procedure
- Once the oven reaches its target temperature (200 degrees F), have your adult helper place the first plate with baking soda in the oven.
- タイマーを15分にセットし、タイマーが切れるまで皿をオーブンに入れたままにします。 オーブンの中の重曹はどうなると思いますか？
- 大人の方に手伝ってもらい、重曹の入ったお皿を慎重にオーブンから取り出してもらいます。 必ずオーブンミットをつけてくださいね。 重曹はどのように見えますか？ 加熱している間に見た目が変わりましたか？
- 皿を作業場の熱に弱い場所に置き、5～10分冷まします。
- オーブンを400度（約204℃）に設定します。
- はかりのスイッチを再び入れ、ゼロにして、冷めた皿をはかりにセットし、重曹と一緒に置きます。 その正確な質量を書き留める。 重曹をのせた皿をオーブンに入れる前の質量と比べて、どうですか。 重くなりましたか、軽くなりましたか、それとも同じですか？
- オーブンが新しい目標温度に達したら、大人の助手に重曹を入れた2枚目の皿を中に入れてもらいます。
- もう一度、タイマーを15分にセットし、重曹をずっとオーブンに入れたままにします。 400℃のオーブンで違う結果が得られると思いますか？ 今度は重曹はどうなるのでしょうか？
- 15分後、大人の助手にオーブンミットを使って重曹の入った皿をオーブンから注意深く取り出してもらいます。 今回の重曹はどのように見えますか？ 色が変わったか、それともまだ同じに見えるか？
- それを脇に置き、皿を5～10分冷まします。
- それから再び秤のスイッチを入れ、ゼロにして、2番目の冷めた皿を秤に乗せます。 Write down its exact mass. 重曹（＋皿）を華氏400度で15分間加熱すると、質量はどのように変化するか？
- 華氏200度と400度での加熱の前後での重曹の質量差を計算し、加熱前の皿と重曹の質量から加熱後の皿と重曹の質量を差し引け。 加熱中に失われた質量、得られた質量はどれくらいですか？ 両方の温度で差はありましたか？
- 重曹の質量の変化は、重量減少をパーセントで計算することによっても表すことができます（加熱前と加熱後の重曹の質量の差に100をかけ、最初の重曹の質量で割ったもの）。 両方の温度で加熱する過程で、重曹の質量は何％減少または増加しましたか？ それは同じでしたか？ 同じでない場合、その違いを説明できますか？
- おまけ。 他の温度で重曹の質量がどのように変化するかを試すことができます。 同じテストを繰り返しますが、オーブンを異なる温度（250、300、350度Fなど）にしてください。 結果は、各温度で異なるか、または同じになると思いますか？ なぜでしょうか？
- おまけ。 台所にある他の物質で、分解できるものはありますか？
観察と結果
重曹が痩せていくのを見ましたか？ 少なくとも400℃の高温の場合はそうでしょう。低温の場合は、加熱後の重曹の質量はおそらくオーブンに入れる前と同じ（またはほとんど同じ）だったでしょう。 重曹は176℃くらいから分解が始まりますが、このくらいの温度では分解は比較的ゆっくり進みます。 200℃のオーブンに15分入れても、重曹を大きく分解するには十分な時間ではありません。
400℃に上げると、分解反応はより速く起こります。 重曹が炭酸ナトリウム、水、二酸化炭素に分解されるには15分あれば十分です。
重曹の外観は、どちらの温度でも変わりません。
重曹の見た目はどちらの温度でも変わりません。分解反応で重曹から炭酸ナトリウムという新しい物質ができますが、見た目は変わりません。
後片付け
必ずオーブンのスイッチを切ってください。 両方の皿を室温まで冷まします。 その後、使用した重曹はゴミ箱に捨ててください。
さらに調べるには
BBC Bitesizeの「Thermal Decomposition」
Ducksters Education Siteの「Chemistry for Kids, Chemical Reactions」
ThoughtCoの「Sodium Bicarbonate or Baking Sodaの分解に関する方程式」
があります。
この活動はScience Buddiesと共同で行っています
この活動はScience Buddiesと共同で行っています
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