「深い学び」を促す探究型化学実験教材の開発：電気化学分野を中心として

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「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材を研究代表者の専門領域である電気化学分野を例に開発するとともに，教材の効果を検証することが本研究の最終目的である。高校化学の電気化学分野(エネルギー変換)では亜鉛電極と銅電極からなるダニエル電池が取り上げられており，この電池は，新学習指導要領では中学校理科の「化学変化とイオン」の単元でも取り扱われるようになったことから，「深い学び」の実現に寄与する化学実験教材として，まずダニエル電池に注目した。本年度は，昨年度考案した「寒天で固めた硫酸亜鉛水溶液に亜鉛電極と銅電極を挿入し，銅電極と寒天との界面に硫酸銅水溶液を1滴だけ接触させて作成した新規ダニエル電池」について，放電による電極の表面状態の変化を走査型電子顕微鏡（SEM）で明らかにした。中学校理科・高校化学で取り上げられている一般的なダニエル電池との放電特性の違いと，この電極表面の状態を関連付けて考察した。前者では，放電による銅電極上への物質（銅）の析出が明確に観察されるが，これは，樹状結晶として析出することで銅が黒色に見えるためであることがわかった。さらに比較として，マグネシウムが負極で亜鉛が正極の電池を構築・放電し，電極の表面状態を走査型電子顕微鏡で観察することで，同じ亜鉛電極でも負極になる場合と正極になる場合があることを可視化した。加えて，二次電池として高校化学で扱われている「鉛蓄電池」に関して，昨年度考案した「硫酸水溶液の代わりに寒天で固めた硫酸ナトリウム水溶液を用いることで安全に作成・実験できるマイクロスケール化鉛蓄電池」における充放電前後の電極表面の状態を，硫酸水溶液・硫酸水素ナトリウム水溶液・硫酸ナトリウム水溶液を用いた鉛蓄電池のそれとSEMを用いて比較し，寒天で固めた硫酸ナトリウム水溶液を使用した鉛蓄電池が自己放電を起こしにくい原因について考察した。