鉄と硫黄の化合

中学教科書では、物質どうしの化学変化、化合の概念の学習での定番の実験として紹介されています。学習内容としても化学分野の中核をなし、実験材料使用器具ともシンプルであることから、気軽(？)に取り組んでしまいがちです。しかし、毎年のように事故報告があることからもわかるとおり、特に注意を要する実験となっています。

「動　画」鉄と硫黄の化合

鉄粉 Fe と硫黄粉末 S を試験管に入れて加熱すると、すぐに反応が始まり、赤熱状態が観察されます。発生した熱によって自発的に反応が進行し、数分で完結するというものです。反応物の鉄は磁石につくのですが、反応後に生成する硫化鉄 FeS は磁性がありません。また、薄い塩酸を加えて、気体(水素)を発生するかなど、反応物と生成物の両者を比べ、単体と単体が化合して別の性質の物質が生成したことを確認することを主な目的とする実験となっています。

Fe + S → FeS

コンセプトはシンプルで、実験操作の容易、反応も赤熱状態から自発的に進行する様子などが観察できるので、なかなかやりがいのある実験のひとつと言えます。しかし、これほどの事故報告がなされている理由を考えてみましょう。まず…

①粉末の硫黄の一部が加熱時に燃焼し、二酸化硫黄 SO₂ が発生してしまう。

実験操作の最初の段階で硫黄粉末を用いる関係、どうしても一定濃度の二酸化硫黄が発生してしまうという実情があります。特に、アルミホイルに粉末を包み込んで砂皿の上で燃焼させるという操作方法が紹介されている教科書もあり、慎重な取り扱いが必要です。

S + O₂ → SO₂

二酸化硫黄 SO₂ は水と反応すると亜硫酸となる硫黄酸化物で、酸性雨の原因物質の一つとしても知られています。

H₂O + SO₂ → H₂SO₃

特に人体の呼吸器粘膜を刺激する有害な気体です。ここでは、試験管の上部に脱脂綿を詰め込んでいますが、それでも操作途中で浮遊した硫黄粉末が反応してしまいます。また…

②生成した硫化鉄 FeS に塩酸を加えて、硫化水素 H₂Sを発生させるという操作が含まれていることが多い。

FeS + 2HCl → FeCl₂  +  H₂S

発生した気体が硫化水素であることを匂いを嗅いで確認させるというものですが、わざわざ毒性の高い気体を嗅がせることに教育的な意義は感じられません。硫化水素は二酸化硫黄とは比較にならないくらい危険な気体で、低濃度でも中毒死に至ることがあり、山岳地帯での事故もよく報告されています。

これら①②のように気体の発生を伴う実験では、十分な換気が必要となりますが、「どの程度で十分なのか」は現場の環境(実験班の数など)にもだいぶ影響されます。また、反応後もかなりの高熱状態が続くため火傷を負いやすいことや実験後の硫化物の処理においても気を抜くことができませんので、特に注意を要する実験と言えるでしょう。

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＜模擬授業実践＞

「動　画」模擬授業実践記録：鉄と硫黄の反応による変化＿生徒実験

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「指導案例」学生による原案を掲載：文字情報のみ

◇授業研＿指導案(細案)＿２年「鉄と硫黄が結びつく変化」

 日　時　　令和3年11月30日(火)　4校時　15：00～15：50

場　所　　都留市立文科中学校理科室

生　徒　　都留市立文科中学校2年1組32名(男17・女15)

指導者(実習者)　　都留文科大学3年　教育実習生　S

指導教員　都留市立文科中学校　教　諭　　山田　暢司　印

• 題材名　生徒実験「鉄と硫黄の反応による変化」

• 単元観　化学変化について、見通しを持って解決する方法を立案し、観察、実験などを行い、原子や分子と関連付けてその結果を分析して解釈し、化学変化における物質の変化やその量的な関係を見いだして表現させるようにすることが必要である。

• 題材の目標　化学変化について、2種類の物質同士が結び付く反応の実験を行い、反応前とは異なる物質が生成することを見いださせ、化学変化は原子や分子のモデルで説明できること及び化合物の組成は化学式で、化学変化は化学反応式で表されることを理解する。

• 生徒の実態　本学級の生徒は、自然の事象に興味・関心を持つ生徒が多く、学級全体として理科に対する高い学習意欲が見られる。そのため、実験に意欲的な生徒が多い。しかし、実験にあまり意欲的に取り組むことができず、理科に苦手意識を感じている生徒も見られる。班で役割分担し、協力して実験を行うことによって協働的な学習を促し、互いに意見を交流し、学びを深め、理科の面白さや達成感を味合わせることができるようにしたい。

• 題材指導計画：第2章　物質どうしの化学変化　32～43
  • 異なる物質の結びつき：1
  • 実験：鉄と硫黄が結びつく変化：本時1　まとめ1
  • 化学変化を化学式で表す：3
  • 実習：化学変化のモデル：1

以上　計7時限

• 本時の目標　鉄粉と硫黄の混合物を熱したときの変化を観察し、熱した後の物質の性質を調べて、性質がどのように変化するのかを調べる。

• 本時の展開　(次ページ参照)

• 本時の評価　実験に進んで取り組み、加熱前後の物質の変化から考えられることを自分なりに表現しているかを評価する。〔観察・プリント〕

• 準備物等　鉄粉(7 g）、硫黄の粉末(4 g）、うすい塩酸(2 mol)、乳鉢、乳棒、試験管(4本)、試験管立て、スタンド、駒込ピペット、磁石、薬さじ(2本)、秤量皿(2枚)、薬包紙(2枚)、脱脂綿、ガスバーナー、マッチ、燃えさし入れ、濡れ雑巾、電子天秤、ビーカー、ガーゼ、バケツ、白衣、保護メガネ

• 参考・引用

・学習指導要領(文科省)

・令和3年度用中学校教科書年間指導計画書,東京書籍,https://ten.tokyo-shoseki.co.jp/text/chu/list/keikaku.html

【本時の展開】

学習過程　50分	学習活動	指導上の留意点
導入5分	1.前時の学習を振り返る。 【板書計画】 水素　＋　酸素　→　 水 2.前時に予想した「異なる物質を結びつけると、その性質はどうなるのか。」について確認する。 3.本時の目標を確認する。	1.水素と酸素が化合すると水が生成されることを確認させる。第1章で学習した化学式についても振り返らせる。 2.前回の授業で出た「予想」をあらかじめ紙に書いて用意しておく。→①結びつける前の物質のどちらかと同じ性質を持つ。 ②結びつける物質の両方の性質を持つ。 ③結びつける前の物質とは別 の性質を持つ。 3.「鉄と硫黄の混合物を熱したときの変化を観察し、熱した後の物質の性質を調べて、性質がどのように変化するのかを調べよう」
展開35分	1.操作方法と実験上の注意点について確認する。(1)鉄粉と硫黄の混合物を作る (2)ガスバーナーの使用方法を確認する。 (3)混合物を加熱する。 (4)加熱前後の物質の性質を比較する。 →磁石を近づけたときの様子の　比較 →塩酸を加えたときの様子の比較 発生気体の確認 2.操作開始 3.片づけをする。 3.実験結果と考察をプリントに記入する。	1.生徒を教壇に周りに集合させる。 (1)鉄と硫黄がしっかり混ざらないと加熱後に未反応の鉄が残ってしまう可能性があるため、3分以上しっかり混ぜることを指示する。 (2)事故が起こらないように、正しいガスバーナーの使用方法を説明する。 (3)試験管内の混合物の上部に炎が当たるように加熱するように指示する。加熱時に発生する二酸化硫黄は有毒であるため、換気をしっかりと行うように指示する。気分が悪くなった場合は速やかに退室し、外の空気を吸うように指示する。 (4)試験管イに塩酸を加えた時に発生する気体は、硫化水素という有害な気体であるため、においを確認する程度にし、吸い込まないように注意喚起する。 気体のにおいを嗅ぐときは試験管を顔に近づけずに手で仰ぐようにして嗅ぐように指示する。 試験管アは教壇上のガーゼを張ったビーカーに流し捨て、試験管イは教壇前のバケツの中に入れるように指示する。 2．班で役割を決める→観察は全員・操作を継続する人と記録する人はっきりと分けるようにする。 3.片づけをさせる。 (1)秤量皿と薬包紙は燃えるゴミとして廃棄する。 (2)試験管アは中身を教壇上のガーゼを張ったビーカーに流し捨て、よく洗う。 (3)試験管イは教壇前のバケツの中にそのまま入れる。 (4)スタンドは元の位置に戻す。 (5)試験管や試験管立てなどの器具類はトレーに入れて教壇に返却する。 3.班内で実験結果と考察を共有させる。
まとめ 10分	1.実験結果を共有する。2.考察を班ごとに考察を発表する。 3.まとめを行う 4.実験プリントに感想を記入する。	1.班ごとに黒板に板書させる。2.各班から出た考察を基にまとめを行うようにする。 3.「異なる物質を結び付けると、その性質は結びつける前の物質とは別の性質を持つようになる」 4．今回の授業についてしっかりと振り返り、次時の授業に活かせるように指導する。

【実験プリント】

実験：鉄と硫黄の反応による変化　　　参考：教p32-43

実施日時：　　　　　天候　　　気温　　

　年　組　番　班　氏名　　　　　　　　

「実験目的」

鉄と硫黄の混合物を熱したときの変化を観察し、熱した後の物質の性質を調べて、性質がどのように変化するのかを調べる。

「準　備」

鉄粉(7 g)　硫黄の粉末(4 g）　うすい塩酸5 mL × 2 　乳鉢　乳棒　試験管(4本)　試験管立て　スタンド　駒込ピペット　磁石　秤量皿(2枚)　薬包紙(2枚)　脱脂綿　ガスバーナー　マッチ　燃えさし入れ　濡れ雑巾　白衣　保護メガネ

「実験操作」1班3-4人想定

• 鉄と硫黄の混合物を作る
• 鉄粉7 gと硫黄の粉末4 gを電子天秤を

使って秤量皿に量り取る。

→操作３で使ううすい塩酸5 mLを試験管2本にそれぞれ量り取り、試験管立てに入れて用意しておく。

• 鉄粉と硫黄の粉末を乳鉢で3分以上よく混ぜる。

• 鉄と硫黄の混合物を薬包紙上で4分の1、4分の3に分け、4分の1量を試験管アに入れ、4分の3量を試験管イに入れる。

※試験管イに入れるときはトントンと机上で叩いて詰め、隙間がないようにする。

• 試験管イの口を脱脂綿で閉じて、スタンドに斜めに固定し、混合物の上部に炎が当たるようにする。

2.混合物を加熱する。

(1)試験管イに入った混合物の上部に炎を当て加熱する。

(2)加熱部分が赤褐色に変化したら加熱をやめ、どのように変化するか観察する。

(3)反応後しばらく放置し、上部が持てるくらいまで冷めたら、濡れ雑巾で包んで完全に冷ます。

混合物を加熱した時の様子

3．加熱前後の物質の性質を比較する。

(1)試験管アとイに磁石を近づけて、引きつけられる様子を観察する。

(2)試験管アにうすい塩酸5 mLを加えて、反応の様子や発生する気体のにおいを確認する。

※気体のにおいを確認するときは、試験管を顔には近づけずに手で仰ぐようにして嗅ぐ。

(3)試験管イにうすい塩酸5 mL を加えて、反応の様子や発生する気体のにおいを確認する。

※試験管イから発生する気体は有毒であるため、においを確認したらすぐに試験管を教壇前のバケツに入れて反応を止める。

加熱前の物質(試験管ア)の様子

加熱後の物質(試験管イ)の様子

4.片づけ

(1)試験管イは教壇前のバケツの中にそのまま入れる。

(2)試験管アは中身を教壇上のガーゼを張ったビーカーに流し捨て、よく洗う。

(3)スタンドは元の位置に戻す。

(4)秤量皿と薬包紙は燃えるゴミとして廃棄する。

(5)試験管や試験管立てなどの器具類はよく洗い、トレーに入れて教壇に返却する。

(6)机の上を雑巾できれいに拭く。

5．実験結果のまとめ：班内で確認してプリントに記入

	加熱前の物質	加熱後の物質
磁石を近づけた時
塩酸を加えた時

6.考察

(1)鉄と硫黄を熱することで、別の物質ができたといえるだろうか。

(2)(1)のように考えた理由はなぜか。

7.反省・感想

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◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対(！)にしないで下さい。詳細は、次の３書(管理者の単著作物)でも扱っているものが多いので参考にして下さい。