雲の作り方

皆さん雲はどうやってできるか知っていますか？？
雲は低気圧なので発生した上昇気流で空気が上昇して
気温が露点(空気中にこれ以上の湿気(水分)を含むことができなくなる温度)
に達して空気中のちりなどを凝結核にし水になり
その水が上昇気流でさせられたものです
(あいにく地学は苦手なのでそんなにわかりやすく説明できません、すみません)
さてこの雲なのですが簡単に作ることができます
とりあえず下記を用意してください
1:500mlの炭酸飲料
2:水を入れたなべ
3:線香
とりあえずなべに水を入れてそれを加熱して
水がある程度(70度ぐらいまで)の温度なるのを待つ間に
炭酸飲料を2/3ほどのんで
開いたスペースは線香の煙で満たして
蓋をしておきます
そして温まった水の中にそれを入れてしばらく(といっても20秒ほどでいいですが)
入れておきます
そして容器の蓋を開けると
雲が出来上がります

これは容器内の気圧が上がった
(加熱したことで炭酸飲料から二酸化炭素が出てきてペットボトル内の気圧が上がった)
ために温度が上がり露点が上がっていったために起こったことです
そして蓋を開けたことにより気圧が下がり温度も下がって露点も下がったため
雲ができたわけです
(下手な説明ですみません)
END

気体の発生

一般的に実験室にはいろいろな薬品があるので
それらを混ぜ合わせて気体を発生させることができますが
一般家庭においてそんなにいろいろな薬品があるわけではありません
しかし気体は意外と身近なもので発生するのです
とりあえず下記のものを用意してください
1:過酸化水素水(オキシドールとも呼ばれる、消毒に用いる)
2:水を満たした水槽
3:ペットボトルなどの容器とその蓋(2セット)
4:容器の蓋
4:肉や魚などの動物性食物
とりあえずキャップを下記の様に加工してください
こちらです
一つ残りますがそれはそのままにしておいてください
そして一つの容器は水槽に入れて水槽の水で満たしておいてキャップの片方をつなぎます
さらにもう一つの容器(小さめのほうが良い)に過酸化水素水(多めに入れておいたほうがいいかも)と動物性食物
を入れます
そしてすぐに蓋をしておきますそして水槽のペットボトルに気体が出てくることを確認してください
そして水槽の容器に過酸化水素水の入っているよう気分以上の気体が溜まったらそれをすてて
また集めます(最初に出てくるのは容器中にあった空気なので)
空気なのでそれをすててからまたきゃっぷをして空気を集めます
そしてその容器がいっぱいになったらその容器の栓を水中で閉じますこうしたら水槽から出してください
さてそうしたら火のついた線香を用意しますそして栓をあけてビンの中に入れると
線香が炎を上げて燃えるはずです
このことから発生した気体は酸素であることがわかります
ちなみに化学反応式は
2 H2O2 →　H2O + O2 です
(動物性食物は触媒といってひとりでに進む反応を早めるために用います)
END

炭を得る

かつて燃焼すると
炭素と二酸化炭素と水ができるといいましたが
間違っていましたすみません
正しくは二酸化炭素と水でした
(紙を燃やしたときに残るのは炭素と水素以外の物質です
　つまり燃えカスです)
さてそれはともかくでは
炭を得るためにはどうすればいいのでしょうか？？
簡単なことです
下記を用意してください
1:適当な大きさの木
2:アルミはく
3:焚き火のときに木を入れるときに使うはさむやつ
(名前なんていうんでしょう？？)
です
まず木をアルミ箔でくるみます
そして挟むではさんで火の中に入れて
煙が出なくなるまで加熱します
たったこれだけです
これは木がアルミ箔の中の酸素しか使えないために起こることです
木は酸素とくっついて二酸化炭素と水になろうとします
しかし酸素がなくなると木に含まれている炭素が残るので
最終的に炭が得られます

そのほかにもジュースなどの缶の飲み口を切って
なるべくぎゅうぎゅう詰めになるように
有機物を入れ、アルミ箔で蓋をして
煙が出なくなるまで加熱すると
炭になります
END

燃焼させると

メタン(天然ガスの主成分)を燃焼させると
CH4 + 2O2 →　CO2 + 2H2O となります
このとき光と熱が発生します
この時発生する熱はかなりの熱です
普通物質の持っている化学エネルギーの少ないほうが安定するので
化学エネルギーから変換された熱エネルギーが発生するわけです
つまり考えると二酸化炭素と水はかなり安定しているということになります
ではメタンから発生する熱エネルギーはどれくらいなのでしょうか

家では都市ガスつまり天然ガスを用いているので大体計算が付きます
やかんいっぱい3Lとすると沸騰するのに約10分かかります
大体強火で30分ぐらい加熱すると1m3(立方メートル)ぐらいのガスが出ているので
10分ではおよそ0.3m3出ていることになります
計算しやすくするためにL換算すると
1M3=1000Lよりおよそ300L使っている計算になります
大体大きめの浴槽一杯分ぐらいです
さてこれだけのメタンを用いて水の温度を上げることになります
大体今の時期の水の温度は8度ぐらいで100度まで上げるので92度
あげていることになります
普通物理では熱量の単位にジュールを使いますが
計算がめんどくさいのでcalを用います
1cal≒4.2Jで一グラムの水の温度を一度上げるのに必要なエネルギーです
このことから3L(=3000g)の水の温度を92度上げるには
3000*92で276000calつまり276kcalとなります
これは300L当たりです

ここからリットル換算していきたいところですが
ここでモル単位が登場します
モルとは体積の単位で1モル=22.6Lです
また物質が気体のとき1モルの質量は元素量にgをつけた量になります
また同じ体積で状態が一緒であれば
分子の数も一緒です
(酸素1Lと水素1Lで分子の数は変わらない)

さてメタンのモル質量はというと元素量がC=12 H=1なので
C + 4H つまり　12 + 1*4で16よって16gとなります

さて話を元に戻します
さっきモル質量を出したので300Lが何モルかどうかがわかれば
1g当たりどれぐらいの熱エネルギーが発生しているかわかります
とりあえず300Lは300/22.6でおよそ13モルです
よって1モル当たりで発生した熱エネルギーは
276/13でおよそ21kcalです
1モルはこの場合16gなので
21/16でおよそ1.3kcalとなります

しかしこれは
メタン一グラム当たりがやかんにかけているエネルギーであって
外部に逃げる熱を計算していません
普通発生した熱の60%は逃げるようなので
計算すると3.25kcalとなります

家庭科の教科書を見ると炭水化物は一グラム当たり4kcalと書いてあったので
最終的な結論は
3.25kcalが熱エネルギーに0.75kcalが光エネルギーに変換されます
END

続・燃える風船

さて前打った燃える風船の解説です
これはとても簡単です
これは水の電気分解の原理です
水を電気分解すると
2 H2O →　2 H2 + O2 となるので
風船には水素と酸素の2:1の混合気になります
その混合気に点火するとさっきとは逆に
2 H2 + O2 →　2 H2O
となります
これは燃料電池の原理と似ています

少しスペースがあるので塩化ナトリウム水溶液の電気分解について
書くとしましょう
塩化ナトリウム水溶液の電気分解は
まず塩化ナトリウムの電気分解から考えると
2Na+ と　2Cl- と 2e- と 2e+ で　2Na(陰極) + Cl2(陽極)
になります塩化ナトリウム水溶液を電気分解すると
陽極で塩素が発生するので陽極は問題ありません
問題の陰極ですが
ナトリウムの性質で「水につけると水酸化ナトリウムと水素になる」
という性質を用いて
2Na + 2H2O →　2NaOH + H2 となります
これだけです
END

燃える風船

さて水の化学式は何でしょう？？
言うまでも無くH2Oです
今回はそんなことがメインの話です
とりあえず下記の物を用意してください
1:塩化ナトリウム水溶液(10%ぐらい)
2:普通の1.5Vの電池
3:9Vの電池
4:鉛筆の芯(二本)
5:ガラス瓶とその蓋
6:風船
7:セロハンテープ
8:針金(四本)
9:点火装置(電気火花によるもの)
です
まず塩化ナトリウム水溶液を
ガラス瓶に入れてください
そして電池を入れてください
このとき塩素が発生するので換気はしっかり行ってください
ここまでだと
陽極では酸素と塩素
陰極ではナトリウムと水素となるはずなのですが
ナトリウムを水につけると水酸化ナトリウムになったり
結構めんどくさいことが起こって
最終的に陽極で塩素　陰極で水素ができ
残った液体は水酸化ナトリウム水溶液になっています
さてここからが実験本番です
ビンの蓋に二つ針金が通るぐらいより少し大きい穴を開けて
そこにテープを張ります(テープは何重かにしておいてください)
さてそうしたらテープに針金をさして
その針金の先に鉛筆の芯をつけます
(蓋がちゃんと閉まるかどうか確認しておいてください)
さらにその蓋の中央にも穴を開け風船を膨らますことのできるような物
(小さい風船を膨らますときに使う手押しポンプの風船をつけるパーツなど)
をはめてテープでしっかり固定します

さてそうしたらさっきの液体に目を向けます
さっきの気体から刺激臭のする気体が発生しなくなったら
蓋をしますここまででこうなっているはずです

さてこうなったら9Vの電池を針金につないでおきます
それから少しまって
発生した気体の量がビンの中の空気の量よりも多くなっただろうと
判断したら
さっきの風船を口につけます
そして膨らむのを待ちます
そしてある程度膨らんだら
なるべく早く口を閉じて
風船にセロハンテープをはって針金を二本刺します
(よくマジックでありますね)
さてそうしたらその風船を屋外に持っていきます
そしてその風船に点火装置で点火します

すると風船が爆発するはずです
これはどういうことなのでしょうか
後日
解説を打ちます
END
(水酸化ナトリウム水溶液は酢などで中和してから流してください)

塩化ナトリウムの電気分解

さて前水の電気分解をやりましたが
今回は塩化ナトリウムつまり
食塩の電気分解をやります
とりあえず用意するものは
1:電池(なるべく多いほうがいい)
2:導線
3:鉛筆の芯(2本)
4:食塩
5:おちょこぐらいの大きさのさら
6:加熱するもの(焚き火とかでもOK)
です
まずさらに食塩を入れて
液化するまで加熱します
融点は約800℃です
頑張って加熱しましょう
液体になったら鉛筆の芯に導線をつないで
食塩に触れるように皿の中に入れます
そして電気を流して
しばらくすると
刺激臭がしてくるはずです
これは塩素のにおいです
そしてそれからもう少しまって
火を消すと
陰極にしたほうの鉛筆の芯に何か変なものが付いています
これはナトリウムです
つまり
2NaCl→2Na+Cl2となります
何故陰極でナトリウム陽極で塩素が発生するかというと
塩化ナトリウムはNa+とCl-から出来ているためです
それらの必要とする電子はNaは- Clは+なので
このようになります
*鉛筆の芯に付いたものをナトリウムといいましたが
ナトリウムは非常に酸化されやすい物質なので
酸化ナトリウムになります
END
実験するときは換気に注意してください

水の電気分解

さて水の電気分解は皆さん知っていると思います
水(H20)に電圧をかけると酸素と水素に分解されます
ちなみに陰極で水素・陽極で酸素です
しかし何故陰極・陽極
で発生する気体は決まっているのでしょうか？？

少し話を変えます
塩酸(HCl)と水酸化ナトリウム水溶液(NaOH)を混ぜると
塩化ナトリウム(NaCl)と水(H2O)が出来ます
これは酸性の水溶液は水素イオン(H+)を
アルカリ性の水溶液は水酸化物イオン(OH-)を
含んでいて普通の物質は電気的に中性なので
水に溶かすと
HClはH+とCl-
NaOHはOH-とNa+に分かれます
H+とOH-は化合しやすいので電気的に中和し中性になりH2Oとなり
NaとClがくっついてNaClになります

さて話を戻しましょう
さっきの話で水はH+とOH-で出来ています
電気分解なので電子の移動があります
仮想の負の電荷をe-
正の電荷をe+とすると
H+とe- と OH-とe+から
1/2 H2 と　1/2 H2と1/2 O2になると思うのですが
これだと陰極で水素が陽極で水素と酸素が発生することになります
何故陽極で酸素のみが発生するのでしょうか？？
これはOH-がe+を受けOHになってOは普通にもう一つの酸素原子とくっつき
O2になるのですが水素はもう一つの水素原子とくっつき
H2になるよりもう一つの電子(e+)とくっつき
水素イオン(H+)になるスピードのほうが速いため
陽極では酸素のみが発生します
END

化学電池

さてレモンに銅板と亜鉛板をさすと電池になることは
皆さん知っているでしょう
そのほかに電池になるものはあるのでしょうか？？
調べるために下記のようなものを用意してください
1:銅版
2:亜鉛版
3:ステンレス板(二枚)
4:食塩など
5:コップ
6:導線
7:電球
です
まず4をコップの中に入れて水に溶かします
そして1と2か　3をその中にいれ
(おそらく中性の液体なら3そのほかなら1と2)
そこから導線と電球をつなぎます
そうすると電気がつくものとつかない物があります
この違いは何なんでしょう

とりあえず食塩で説明します
食塩は塩化ナトリウムつまりNaClです
これ実は水に溶かすと
Na+ と Cl- になるのです
つまりイオンになります

これが電気が発生する原因です
Na+ と　Cl-なので
金属版のどっちかにNa+もう一方にCl+となります
物質は電気的に中性になろうとするので
導線に電気が流れ電気がつくわけです

NaClのほかにも
HCl(H+ Cl-(酸性水溶液は水素イオン+を含む))
NaOH(Na+ OH-(アルカリ性水溶液は水酸化物イオン-を含む))
が使えます
END
(実験に使った物質は別の用途には使わず
捨ててください)

入浴剤の成分分析

さて入浴剤の裏に書いてある成分を見ていると
炭酸水素Naという表示が絶対にあります
そのほか香料や○色○号という合成着色料も使われます
家にあったものを見てみるとこのほかに
炭酸Naというものがありました
これ実は身近なもので作ることが出来るのです
香料や着色料はともかく
炭酸水素Naや炭酸Naなんてものは作れるのでしょうか？？
Naとはナトリウムなので炭酸水素ナトリウム
炭酸ナトリウムをそれぞれさしています
その炭酸水素ナトリウムというのは
重曹のことです
そして炭酸ナトリウムというのは
重曹を加熱してできる固体のことです
ですからとても簡単に作ることが出来るのです
材料としては
A:重曹
B:重曹を加熱して出来た固体(AとBの割合が5:1になるようにする)
C:香料
D:着色料
E:そのほか効果がありそうなもの
(硫黄は風呂を傷める恐れがあるので使わないこと)
です
Bの出来上がり基準は少しとって完全に水に溶ければOKです
Eはクエン酸とか食塩とか何でもいいはずです
さて作り方はというと
1:全部を混ぜる
2:固形のものを作るのであればフィルムケースなどで押す
3:乾かす
これだけです
これであの泡の出る入浴剤が作れます
化学反応式だと
2 Na H CO3 + Na2 CO3
(重曹と加熱して出来た固体から)
→3 CO2 + H2 O + 2 Na2 O
(二酸化炭素と水と酸化ナトリウム)
となります
END