「深い学び」を促す探究型化学実験教材の開発：電気化学分野を中心として

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K03267
• Research Institution: Hokkaido University of Education
• Principal Investigator: 田口 哲 北海道教育大学, 教育学部, 教授 (60281862)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 中学校理科 / 高校化学 / 電気化学 / ダニエル電池 / 化学教育 / 化学実験教材

Outline of Annual Research Achievements

「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材を電気化学分野で開発するとともに，教材の効果を検証することが本研究の最終目的である。

高校化学の電気化学分野では亜鉛電極と銅電極からなるダニエル電池が取り上げられている。またこの電池は，新学習指導要領では中学校理科の「化学変化とイオン」の単元でも取り扱われるようになったことから，「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材として注目した。しかしながら，中学校理科や高校化学の教科書で取り上げられている市販教材のダニエル電池では，電池内の反応の進行に伴って，負極の亜鉛電極が電子を放出し溶液中に亜鉛イオンとして溶け出し，溶液中の銅イオンがその電子を受け取って正極の銅電極上に析出することで，溶液中の銅イオンが消費され銅イオン水和物の青色が淡くなる様子の確認は事実上難しい。そのため，電池反応の可視化が容易な教材の開発が求められる。

本年度は，電池反応の可視化が容易な実験教材として一昨年度考案した「寒天で固めた硫酸亜鉛水溶液に亜鉛電極と銅電極を挿入し，銅電極と寒天との界面に硫酸銅水溶液を数滴だけ接触させて作成した新規ダニエル電池」について，中学校理科の授業時間内（50分）で，ダニエル電池の化学反応の可視化が可能な条件について検討した。検討の観点としては，使用する硫酸銅水溶液の濃度，滴数（体積）を用いた。その結果，寒天濃度3.5 ％で0.5 M 硫酸亜鉛水溶液を固めた場合，授業時間内で電池内反応を可視化するための条件としては，硫酸銅水溶液の濃度は1.0 M，その硫酸銅水溶液の滴数は3滴であることを明らかにした。この条件では，放電開始後15分程度で硫酸銅水溶液の青色が無色透明になることが確認でき，また，正極に析出した物質を剥がすと銅の光沢をもった金属であることを確認できた。さらに，放電後の正極（銅）の質量増加と負極（亜鉛）の質量減少も確認できた。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

実験教材の精緻化の点では研究が進んだが，大学の管理運営（部局長等）に時間を割かねばならなくなり，教育実践での効果検証ならびに論文執筆には至らなかったため，当初の計画から進捗が遅れていると判断した。

Strategy for Future Research Activity

中学校理科の教員の協力のもと，本研究で開発した実験教材を教育実践で活用して効果を検証する。また，これまでの成果をまとめて学会等で発表するとともに論文執筆を進める。

Causes of Carryover

研究が遅れており，旅費をはじめ研究費の使用が抑えられていたため。次年度は，主にこれまでの研究成果の発表のための学会への参加旅費等として使用する予定である。