【作り方】水のあたたまりの観察手法(サーモ寒天)

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教材一覧【作り方】水のあたたまりの観察手法(サーモ寒天)

単元 金属,水,空気と温度

目標 水の中でサーモ寒天が色が変わりながら動く様子を通じて、水は熱せられた部分が移動して全体が温まることを理解できる。

準備

  • 粉寒天

  • サーモインク

  • ビーカー

  • 茶こしネット (2㎜程度の網の目のもの。100均で購入可。)

  • シャーレ

  • 爪楊枝

  • ガスコンロ

  • 電子レンジ (サーモ寒天の加熱用)

  • <参考分量:サーモインク4倍希釈、1.5%寒天を10班分作成する場合> サーモインク50mL、水150mL、寒天3g

観察・実験

サーモインクを水で2~5倍に希釈する。

通常の25倍希釈では寒天化した際に色が薄く、温度による色変化が大変見づらい。(4倍ぐらいが失敗が少ない)

希釈したサーモインクに寒天を濃度約1.5%になるように加え、電子レンジ等を用いて加熱して溶かす。

  • 加熱が不十分だと寒天の密度にバラツキが生まれ、水中での寒天の動きが分かりづらくなる。
  • 吹きこぼれないように注意しながら1分以上は沸騰させたい。

水平な場所で厚みが2㎜程度になるようシャーレに流し、冷蔵後で30分程度冷まして固める。

固まった寒天を網目のサイズ2㎜の網の上にのせ、指でおしつぶして網目をくぐらせ2㎜角のマーカーを作る。

  • 寒天をシャーレからつまようじ等で慎重に取り出す。
  • 網目のサイズ2㎜程度の網の上にのせ、指でおしつぶして網目をくぐらせる。
  • なお寒天が網につきやすいので、水を入れたビーカーの上で適宜ふるい落としながらつぶすとよい。

サーモ寒天の入ったビーカーの片側を弱火で加熱する。

加熱した場所の寒天が青からピンクに色を変化させて上昇し、また上部で冷えるとピンクから青に変わり沈降する様子を観察することができる。

豆知識

  • サーモ寒天は水に入れて保管しておくと再利用可能(1-2年はもちました。)
  • サーモインクは、外部のエネルギーにより物性が変化することで色が変わる 機能性色素の一種。本実験で使用するインクは約40℃を境に青色からピンク色に可逆的に変化するものである。
  • 温度により色が変化する材料には、他にインクを印刷したサーモテープがある。主に電気分野で発熱管理として用いられている。その他、加熱による液晶の転移を活用した温度ラベルも用いられている。
  • 近年熱分布を連続的に可視化できるフィルム素材(サーモスケール(富士フィルム))も電子機械メーカの工場で加工時の熱量の判定方法として使われ始めた。

注意事項

  • 水の加熱はゆっくり弱火で行う。200mL程度の水の場合最初の数分が観察ポイント。それ以降の時間は水が全体的に40度以上に温まっており、青くなって下降する様子は観察が難しい。
  • サーモ寒天の希釈は薄いとやや色の変化が見えづらい。ただし寒天も軽くなり、水の中を動きやすいので雪のようにきれい。
  • サーモ寒天のサイズは、加熱の強さ(サーモンインクを浮かせる力)とサーモ寒天の放熱のトレードオフ。 寒天が大きすぎると重くなり、加熱を強くしないと浮き上がらず、底に沈んだ寒天が先に全てあたたまってしまう(まるで水の下面が最も温かいかのようにみえる)。さらに浮かんだあとも寒天が冷やされて青くならずにピンクのまま落ちてしまう。
    結果、児童には暖かい水が上昇し、冷えたのち沈降するのとは違う結果にみえ、誤概念につながらないように注意が必要。

資料

 

実験レポ

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