金属の製錬を実験室スケールで再現する教材の開発

Research Project

Project/Area Number	25909016
Research Category	Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists
Allocation Type	Single-year Grants
Research Field	教科教育学Ⅱ(理科系)
Research Institution	Hiroshima University
Principal Investigator	沓脱侑記広島大学, 附属福山中・高等学校, 教諭
Project Period (FY)	2013-04-01 – 2014-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help	¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000) Fiscal Year 2013: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
Keywords	教材開発 / マイクロ波製錬 / 化学実験
Research Abstract	本研究は「金属の製錬」を題材とし, 高等学校化学基礎(および化学)での学習内容に対応した教材を開発することを目的とした。化学基礎の学習指導要領では「物質が様々な局面で人間生活にかかわり, 役に立っていることを理解させる」ことが重視され, とくに「種々の金属の性質や製造について触れること」とされている。「製錬」とは, 鉱石を還元剤と混合し高温状態にすることで, 還元剤のはたらきにより金属単体を得る一連の操作である。しかし, 現代的な製錬は工場(製錬所)で大規模に行われており, また企業独自のノウハウもあるため, これをそのまま実験室スケールで再現することは困難である。電子レンジから発生するマイクロ波を照射することで, 還元剤である炭素と鉱石に含まれる金属酸化物が発熱し, 製錬に必要な高温状態を比較的簡単に実現できることが先行研究により明らかにされており, 本研究ではこの方法を用いて, 「装置のコンパクト化」「化学反応の単純化」「反応の定量性の確保」の3点を製錬の教材化のために必要な観点と考え, 製錬を再現する実験教材の開発を行うとともに, 収率計算など反応の定量的な扱いを試みた。結果, アルミナるつぼと家庭用電子レンジを利用することで, 省スペースかつ短時間で製錬を再現する教材を開発することができ, また銅と鉄の製錬についてはある程度定量的に反応を扱えることがわかった。実験時の安全性の確保や, 扱う鉱石によっては定量性が確保できないこと, 実社会との関連の希薄さなどが, 実験教材として授業へ導入する際の課題として残ったが, 製錬に関する化学反応の理解や, その量的関係やエネルギーの出入りの考察に活用できる教材として, 授業導入への見通しを立てることができた。