鉄と硫黄の化合

Tweet

中学教科書では、物質どうしの化学変化、化合の概念を学習するところで、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です。

「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。

では、これほどの事故報告がなされている理由としては…

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、それでも十分な換気が必要になります。

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、かなり低い濃度でも中毒で死に至ることがあり、山岳地帯での事故がよく報告されています。

以上２点の理由をもって、特に注意を要する実験としましたが、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。

「模擬授業実践記録」

「動　画」実践記録：鉄と硫黄の反応による変化＿生徒実験

〇導入の板書：板書が長いわりに説明が？

〇試薬の配布時：役割分担を明確にしておいた方が良い。待ちの列が長く感じられた。

〇鉄と硫黄の混合物を試験管に入れるのは薬包紙使用が良い？

〇こちらの段取りミスで乳鉢の準備を忘れてしまったが、蒸発皿での代用は問題なかった。洗浄時の鉄分の処理を考えると、こういう選択肢はありかもしれない。

〇発生する気体など、注意を要する実験であることについての喚起はよくできていた。

〇指導案は模擬授業や研究授業向きで、必要なことはほとんど網羅されている。実際の授業では、非現実的な量だが、一度はこの構成に目を通しておく必要はある。

〇回収した硫化鉄入り試験管の処理など、目に見えない部分の補足はあとでやって欲しい。

「指導案例」学生による原案を掲載：文字情報のみ

理科教育法指導案　担当S君　　指導教員　山田暢司

1. 日時　令和元年１２月１０日（火）５校時　１７：００～１７：５０
2. 学級　都留文科大学付属中学校２年１組　（男子１５名　女子１５名）
3. 単元名　「化学変化と原子・分子」
4. 単元目標　

化学変化についての観察・実験を通して、化合、分解などにおける物質の変化やその量的な関係について理解するとともに、これらの事象を原子・分子のモデルと関連づける見方や考え方を養い、物質の成り立ちや化学変化のしくみに対する興味・関心を高める。

5. 単元観

本単元は、「１章　物質の成り立ち」「２章　物質どうしの化学変化」「３章　酸素がかかわる化学変化」「4章　化学変化と物質の質量」「5章　化学変化とその利用」の5章で構成されている。本単元の学習では、物質そのものが変わる化学変化の初歩的な概念を学びとらせるとともに、化学変化の現象を原子・分子のモデルで考える科学的な思考力・表現力を養いたい。そのため、既習事項である状態変化との比較がしやすい熱分解から導入し、原子・分子の粒子概念によって、化学変化と状態変化との違いをとらえさせるようにする。さらに、はやい段階から、原子・分子のモデルや原子の記号、化学反応式を提示し、微視的な概念と巨視的な科学現象との関連を図り、化学変化の量的な規則性から微視的な考えが検証できるようにする。また、実験では危険が伴うものが多い。安全面について特に配慮していく必要がある。

6. 生徒観

この学級は、理科の実験に対する意欲のある生徒が多く、理科の知識に長けている生徒も何人かいる。その一方で理科を不得意とする生徒も多く、既習事項が必ずしも十分に身についていない。また、実生活との関連性を見いだせていない生徒が多いことも課題の一つとして配慮する必要がある。

7. 単元の評価規準

8. 単元指導計画

9. 本時の目標

鉄と硫黄の化合により混合物とは全く性質の違う新しい物質（硫化鉄）ができることを実験を通して調べ、その違いを指摘できる。

10. 本時の展開

実験プリント「鉄と硫黄の混合物を加熱するとどうなるのか調べる」

２年　　　組　氏名　　　　　　　　　　　　　

〈準備するもの〉

・鉄粉（7ｇ）　・硫黄粉（4ｇ）　・塩酸（10％）　・塩酸（４％）　・棒磁石　・ピペット

・試験管（2本）　・乳棒　・乳鉢　・試験管立て　・試験管ばさみ　・薬さじ（2本）

・薬包紙（2枚）　・電子天秤　・脱脂綿　・ガスコンロ　・金網　・白衣　・保護めがね

〈実験方法〉

• 鉄と硫黄の混合物をつくる

・薬さじ、薬包紙、電子天秤を用いて、鉄粉７ｇ、硫黄４ｇを用意する。

・鉄粉と硫黄を乳鉢でよく混ぜる。

・鉄と硫黄の混合物を試験管アに4分の1、試験管イに4分の3くらい入れる。

• 混合物を加熱する

・試験管イの口を脱脂綿で閉じて、試験管ばさみを用いて混合物の上部を加熱する。

・加熱部分が赤くなったら、加熱をやめる。

・試験管ばさみをつけたまま、濡れた雑巾の上に置いて冷ます。

・混合物が赤熱している様子をスケッチする。

• 加熱前後の物質の性質を比べる

・試験管アに磁石を近づけて、反応を観察する。

・同様に試験管イにも行う。

・試験管アに塩酸（試験管ア用）を５ｍL加えて、発生する気体ににおいがあるかどうか調べる。

・同様に試験管イにも塩酸（試験管イ用）を５ｍL加える。ただし、ここで発生する気体は有毒なので、においを確認したらすぐさま水を加えて反応を止める。

〈予想・実験結果〉

〈考察〉

〈まとめ〉

◇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ありますので参考になさってください。