中学2年生理科第1分野覚え書き

 お久しぶりです。いや~毎週金曜日はブログの日!みたくなっちゃっているなあ。先週の週末に一応『マッドマックス フューリーロード』を映画館で観たんだけど、まあ久々に“画”だけで充分面白い映画を観たし(面白い度☆5)、これはもう実際に映画館で見やがれヒャッハーって感じなんで、感想の記事は割愛します。人食い男爵は乳首ピアスを触る時めっちゃいい表情をする。(C)どっかのツイート
 さて、ということで、今回は中学2年生の物理学と化学をおさらい。おそらく理科嫌いの中学生にとっては最もいやらしい部分。計算問題を出題しやすいからね。

電気の利用
電気回路の法則や、発電の原理である電磁誘導、そして静電気の仕組みを学習する単元。私たちの文明的な生活にめちゃくちゃ関わっている分野ではなかろうか。

帯電列
摩擦によって電子を失いやすい物質と失いにくい物質を並べたもの。
プラスに帯電しやすいもの(つまり電子を奪われやすい)から、ガラス、毛皮、紙、エボナイト(硬いゴム)、ポリスチレン、アクリル、ポリプロピレン、ポリエチレン。

バンデグラフ
あの古畑任三郎にも登場した静電気発生装置だが、なんとバンデグラフさんという人が作ったという、まさかの人名。パンタグラフやヒエログリフも人名なのだろうか・・・
ゴムのベルトをアクリルのローラーにベルトコンベアの要領で猛スピードで擦りつけ、そこで発生した静電気を装置上部の金属球の内部に運搬していく。
説明書によると最大10~15万ボルトもの静電気を帯電できるらしい。

コピー機
静電気を利用した代表例的な機器。
コピー機はまず、セットされた原稿に強い光を当てる。
その時の反射光はプラスに帯電した感光板(カメラのフィルムに近い)に当たるようになっていて、原稿の白い部分は反射光が強く、原稿の黒い部分は反射光が弱いから、感光板には原稿の黒い部分にだけ電気が帯電している状態になる(静電気は強い光を与えると逃げてしまう)。
ここにマイナスの電気を帯電させたトナーのインクが、感光板のプラスの電気が帯電している部分(つまり黒い部分)にくっつき、さらにそこに印刷用の紙を高温で当てると、原稿がコピーできるというわけ。

電気の速度
その昔『電光超人グリッドマン』って特撮番組があって、電話回線の中をグリッドマンが電気になって流れていく映像があったんだけど、アイツのせいで私は電気に対する間違ったイメージを植えつけられたと思う(※番組自体は面白かった)。
電気の正体はJJトムソンの実験によって電子だとされている。つまり電気の速度=電子の速度ということになる。しかし実を言うと導線を流れるすべての電子の平均速度は1Aあたり秒速0.1ミリ程度である(ドリフト速度)。つまりグリッドマンはカタツムリよりも遅い。
しかし、スイッチをつければ電気は瞬時に付く。これはどういうことかというと、実を言うと中学校では電気回路を水路の例えで説明してしまうが(電流を水量、電圧を高低差といったように)電気回路で起こっていることは水路のそれとは大きく違うのである。
スイッチを入れると、導線中の電子が影響を受けることによって、その周囲に電磁場が発生、これが導線中のほかの電子に光の速さで影響を与えることで(いわば全員に号令をかけることで)電気は瞬時に伝わっているのである。

フェルミ速度
スイッチオフの待機状態でも、金属中を自由きままに動き回っている電子(自由電子)一個分の速度のこと。
こちらはかなり速く秒速1600キロメートルだという。しかしみんなでたらめな方向に動いているので、スイッチオフの時の全自由電子の平均速度を出すと0になってしまう。これが電気が流れていない状態というわけである。

電流計
中学校で使うのは大抵が電磁誘導を利用した可動コイル型で、内部に入っているコイルに流れる電流の大きさによって指針が振れるようになっている(モーターの原理とまったく同じ)。
構造は電圧計と同じだが(衝撃の事実)、回路に流れる電流を正確に図るために電流計内の抵抗はできる限り小さく作られている。そのため電池の電極にそのままつないだりしてしまうと、針が振り切れて壊れてしまう。

電圧計
構造は電流計と同じだが(衝撃の事実)、電圧計を並列つなぎをした際に回路に流れる電流の大きさが変化しないように内部の抵抗がとても高く作られている。よって、これを直列につなぐと回路全体の抵抗が上がってほとんど電流が流れなくなってしまう。
ただまあ、なんにせよコイルに流れる電流の大きさから電圧を出す点は電流計と同じで、目盛りのパネルを電流に抵抗をかけた数値のものに差し替えているだけである。

電気抵抗
電流の流れにくさを指す。
導線の抵抗の大きさは、導線の長さが大きくなればなるほど大きくなり、導線の太さが太くなればなるほど小さくなる。つまり狭い道だと渋滞が発生しやすいのと多分同じだ。
また電気抵抗の値は物質によっても決まっている。銀や銅の電気抵抗はほとんど0だが、電熱線に用いられるニッケルとクロムの合金であるニクロム線は電気抵抗が1と大きい。
他にも電球のフィラメントに用いられるタングステンは温度が20℃だと電気抵抗は小さいが、3000℃になると1.23にも上がってしまう。
このように電気抵抗は温度によっても変わる。その理由は、そもそも熱とは原子の振動(熱振動)だからである。原子の振動が激しいと電子がその間を通りにくくなるので電気抵抗は上がってしまうのだ。

超伝導
さて温度が上がると電気抵抗が大きくなるならば、逆に温度を下げれば電気抵抗は小さくなり、ある温度まで下げ続けると最終的にゼロになるんじゃないか?って考えて、水銀の温度を下げて、そこに電気を流してみた人がオランダの物理学者カメルリング・オンネス。
すると、一度電圧を加えて動き出した電子は、その後電圧をゼロにしても止まらない(ずっと電気が流れ続けている)。これを超伝導状態という。
ちなみにこの状態の時に外部から磁場をかけても、一定の強さまではその影響を全く受けない(その磁場を綺麗に相殺する磁場が誘導電流によって即座に発生するから)。これをマイスナー効果という。

オームの法則
ゲオルグ・オームは19世紀のドイツの貧しい物理学者で、学校の教師や家庭教師をしながらボルタ電池の研究を続け、1827年にオームの法則を発表。しかしその論文は当時の学会には認められず、さらに貧しい生活を送り、60歳でとうとう念願の大学教授に就職できたが、そのわずか5年後に亡くなった。
さて、今では全世界の理科の教科書に載っている(と思う)オームの法則だが、この電流は電圧に比例するという法則は、電流や電圧がどんなに大きくても成り立つかというとそうではない。
導線に大きな電圧をかけて大きな電流を流すと、大量の熱(ジュール熱)が発生し、それによって導線の電気抵抗が上がってしまうので電流は流れにくくなってしまう。
つまり中学校の教科書に出てくる綺麗な比例のグラフは、電圧が小さい場合に限られるのだ。

キルヒホッフの第一法則
回路のある点に流れる電流の合計は、その点を通過して出て行く電流の合計と等しい。

キルヒホッフの第二法則
電気が直流回路を一周するとき、電源による電圧上昇の合計は、回路に接続された抵抗器による電圧降下(抵抗×電流)の合計に等しい。つまりほとんどオームの法則。
この法則に従うと、並列回路の電気抵抗は・・・

I=V/Rより・・・➀

並列回路は回路全体の電流は各回路の電流の合計なので

I=I1+I・・・②

②に➀を代入

I=V/R+V/R=(1/R+1/R)V

したがって並列の回路の電気抵抗は

1/R=1/R+1/R

超高圧送電線
発電所で作られた電気は、18万~110万ボルトという某モンスター並みのとんでもない電圧がかけられ、電柱の上にある変圧器で最終的に100Vまで電圧を下げられ私たちの家庭に送られてくる。
発電所の電流は直流ではなく交流だが、交流は変圧器で電圧を自由に変えられるので、そういう点でも便利なのだ(直流は抵抗器をつけないと電圧が下がらない)。
ちなみに、18万を超える大きな電圧では周りの空気が絶縁体の役目を果たしているので、送電線に接近しただけでも感電してしまう。

化学変化と原子・分子
物質がくっついたり別れたりして全く別の物質に変わってしまうケミカルリアクションを学習する。ちなみに県立入試ではほぼ100%出題されるという超重要分野。

炭酸水素ナトリウム
分解の実験で必ず出てくるやつなんだけど、そもそもこいつは一体何者なんだってのがある。これはいわゆる重曹(重炭酸ソーダ)のことです。シンクの汚れがよく落ちる奴。ソーダ味でお馴染みのソーダはナトリウム化合物を指す。
ちなみにお菓子作りに使うベーキングパウダーの主成分も化学的には全く同じで、小麦粉の中に炭酸水素ナトリウムを混ぜると、加熱時に大量の二酸化炭素が発生するので、パンケーキがふっくら美味しく出来上がります。
ただ炭酸水素ナトリウムが多いと、こいつは加熱するとアルカリ性が強い炭酸ナトリウムになるので苦味が出て、ぶっちゃけまずくなる。

フェノールフタレイン溶液
炭酸水素ナトリウムの熱分解の実験で活躍するアルカリ性を調べるための指示薬。
別にリトマス紙でもBTB溶液でもいいじゃんって感じだが、炭酸水素ナトリウムも、熱分解でできる炭酸ナトリウムもどちらもアルカリ性なので、BTB溶液ではどちらも青になってしまうため、炭酸水素ナトリウムが別の物質に変化したことが分かりにくい。
その点、フェノールフタレイン溶液っていいよな。強いアルカリ性じゃないと赤くならないんだから。

塩化コバルト紙
炭酸水素ナトリウムの加熱分解の実験の時にしか出てこない影の薄いペーパー。水しか調べられない。湿気に非常に敏感で、水に濡らすとブルーがピンクに変わると教科書に書かれているが、水に濡らす前にすでにピンクであることが多い。よって保管するときには乾燥剤のシリカゲルを入れるか、使用直前にドライヤーで湿気を飛ばさなければならない。

物質の燃焼
燃焼とは酸化のうち、火が出ちゃうようなかなり激しい反応のことを言う。
ちなみによく「酸素は燃える気体」と言われるが、正確には燃えているのは酸素に触れ合った物質で、酸素自体は燃えていない。「酸素は物を燃やす気体」なのである(助燃性)。

スチールウール
小学校の実験からお馴染みのやつ。
物質的には鉄(スチール)。なぜこんな毛糸みたいに加工しているかというと、鉄は塊のままでは燃えないのだが、こうして酸素が触れる表面積を増やしてやると空気中でも燃えてくれるため。なので、燃焼実験の際にはかなり“とか”ないと燃えてくれない。
また、実験中けっこう豪快に飛び散るため、燃焼後の質量がむしろ減ることが多く、酸素が化合し重くなることを学生に確認させたい理科教師は、ただ焦る。

赤サビ
空気中に放置された金属にできるサビ。金属をもろくボロボロにさせてしまう。
鉄の場合は弱い磁性がある。化学的には酸化第二鉄(Fe2O3)。

黒サビ
金属が空気中で激しく熱されてできるサビ。
赤サビに比べてかなり緻密な構造なので、かえって金属の内部を保護する。
つまりサビ止めのためのコーティング的として利用される。目には目を、サビにはサビを。
鉄の場合は造岩鉱物の磁鉄鉱となり、磁性がある。化学的には四酸化三鉄(Fe3O4)。

青サビ
銅を水分の多いところに置くとできるサビ。緑青(ろくしょう)とも呼ばれ有毒。
こちらも内部の腐食を防ぐ。

テルミット反応
酸化鉄とアルミニウムを混ぜた物をテルミット(ギリシャ語で熱という意味)といい、これを加熱するとアルミニウムが酸化鉄の酸素を奪う酸化還元反応が起き、この時出る3000℃の熱により、溶けた鉄をゲットすることができる。
この反応は、鉄道のレールの溶接などに利用されている。
実験したい場合は、酸化第二鉄(Fe2O3)1.6グラム、アルミニウム0.6グラムを乳鉢でよく混ぜて、それを点火用のマグネシウムリボンと共に蒸発皿に乗せて着火する。ちょっとした花火(火花もすごい)。

質量保存の法則
化学反応の前後では、その化学変化に関係する物質の質量の合計は変化しないよという法則。
フランスの裕福な(弁護士の家に生まれた)化学者ラボアジエが発見した。
モノ(リンや硫黄など)を燃やすと質量が増えることを発見したラボアジエは、今度は密閉した容器の中でモノを燃焼させた。すると容器全体の重さが変わらなかったことから、容器内の空気が減ったんじゃないかと考えた。
このように、物質の質量に着目し化学変化を研究したラボアジエは化学の父と呼ばれたが、研究も佳境に入ってきた1789年にフランス革命が起き、そのとばっちりを受けて処刑されてしまった。彼は研究資金を得るために、民衆に最も憎まれていた借金取立ての会社(徴税会社)に投資をして利益を得ていたのである。

定比例の法則
銅と酸素が化合するときの質量の比率は4:1、マグネシウムと酸素の場合は3:2と、生成方法には関係なく、一定の比率に必ず決まっているよ、という法則。
こちらはフランスの化学者プルーストが発見した。
授業では、銅とマグネシウムの二種類の金属をガスバーナーで加熱し、どれだけ質量が増加したか(=どれだけの質量の酸素が化合したか)を求めるのだが、ガスバーナーを最強にして10分弱あぶらないとなかなか反応しない。
ただマグネシウムは一度反応すると閃光弾レベルで発火し、また場合によって空気中の酸素ではなく窒素とくっつき質量が期待値よりも減る可能性もある。水で発火もするし、難しい子だなあ。

原子論
この定比例の法則と、先に発表されていたラボアジエの質量保存の法則が、1803年にドルトンが原子論を唱える重要な先行研究となった。
原子論はオームの法則やメンデルの法則とは異なり、割とすんなり当時の学界に受け入れられ、ケミカルの研究は大きく発展した。

分子説
水の電気分解の実験(水素の体積:酸素の体積:水の体積=2:1:2!?)から、現在の分子につながるアイディアをひらめいたのが、当時無名の学者だったイタリアのアボガドロで、酸素の質量が水素の8倍か16倍かで10歳年上のドルトンと論戦を繰り広げた。結局アボガドロの死後、イタリアのカニツァーロの検証によりアボガドロの方に軍配が上がった(16倍だった)。
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