金属イオンの分析
授業科目
授業内容
実技試験
実技試験の結果
今後の課題
参考文献
- 授業科目
- 大阪府立泉南高等学校 ３年次の化学U（２単位）
- １クラス（男子１８名、女子１６名）
- 1997年度１学期
- １、２年で化学TＢを全員履修し、３年で化学Uを選択する。
- 金属イオンの分析は化学TＢの範囲であるが、３年の化学Uで行った。
- １学期中間考査以後、期末考査までの計１１時限
- 水溶液中のイオンの反応についての実験・・・６時限
- 炎色反応の実験 ・・・１時限
- 系統分析についての説明 ・・・１時限
- 系統分析の練習 ・・・３時限
- 放課後に分析の自由練習 ・・・１回
- 期末考査は金属イオンを分析させる実技試験を行った。
- 授業内容（実験は２人１組で行った）
- 金属イオンと各試薬とを反応させ、沈殿の有無・色・状態、溶液の色などを実際に自分の目で確認する。また、試薬や試験管の取り扱い、洗浄の仕方などについて練習を行った。・・・６時限
- 用いた金属イオンは Ｃａ，Ｂａ，Ａｇ，Ｃｕ(U)，Ｚｎ，Ａｌ，Ｐｂ，Ｆｅ(U)，Ｆｅ(V) （イオンの価数記号は略）
- 用いた試薬は 塩酸、水酸化ナトリウム、アンモニア水、硫化アンモニウム、硫酸アンモニウム、炭酸アンモニウム、フェロシアン化カリウム、フェリシアン化カリウム、チオシアン化カリウム、クロム酸カリウム
- 白金線を用いて炎色反応の実験を行い、元素と炎色反応の色との関係を実際に自分の目で確認する。また、卵の殻やミネラルウォーターを例にして含まれる元素の分析を行った。・・・１時限
- 用いた元素は Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｃｕ
- 金属イオンの系統分析についての説明・・・１時限
- 水溶液中に含まれる金属イオンを実際に分析してみる。・・・３時限
- 水溶液中に含まれる２種の未知イオンについて２時限、３種の未知イオンについて１時限
- 未知イオンは１０種 Ａｇ，Ｐｂ，Ｃｕ(U)，Ａｌ，Ｆｅ(V)，Ｚｎ，Ｃａ，Ｂａ，Ｎａ，Ｋ （イオンの価数記号は略）
- 期末考査の３日前に、自由練習を放課後行った。・・・１回
- 期末考査は実技試験を行った。
- 実技試験（１学期末考査）
- 一斉に実験を行い、巡回しながら実験操作について採点をする。実験終了後、推定したイオンを記入した解答用紙を提出する。
- 時間は１時限（５０分）。制限時間を超えても後片づけはきちんと行う。
- 一人づつ異なる試料を分析する。
- 分析試料（未知イオン３種）は含まれるイオンの組み合わせがすべて異なる。
- どの試料を分析するかは試験直前にくじで決める。
- 試験場（実験室）へ教科書やプリント・ノートを持ち込むことは認める。
- 私語は禁止。ひとりごとも禁止。
- 試薬は６〜８人で１つづつ。（協力性をみるため）
- バーナー、白金線は２人で１つ。
- 試験管は１人に４本。ロートは１つ。
- 評価点
- 未知イオン３種のうちの正答数
- 実験操作
- 器具の洗浄の仕方
- 試薬の扱い方
- ろ紙の使い方
- ろ過の仕方
- バーナーの扱いなどの安全面への配慮
- 器具の破損の有無
- 落ち着いた実験態度
- 協力性のある実験態度
- 後片づけ
- その他の実験中にふさわしくない態度
- 実技試験の結果
- 試料作成の際に配慮した点（生徒には知らせなかった）
- ＡｌイオンとＦｅ(V)イオンは組み合わせない。
- Ａｌイオンの確認が難しくなるため。
- ＣａイオンとＢａイオンは組み合わせない。
- Ｃａイオンの確認が難しくなるため。
- Ｃｕ(U)イオンとＦｅ(V)イオンは組み合わせない。
- 試料溶液の色で３つのイオン中２つのイオンがすぐわかってしまうため。
- ＡｇイオンとＰｂイオンは組み合わせない。
- 系統分析の最初の方で２つのイオンがわかってしまうため。
- 実際に生徒が分析した試料と解答の正誤
- 試験管の破損などで試料を失った場合は、別の試料で最初から分析をやり直す。
- 全体の正答率
| イオンの正答数 | 人数 |
|---|
| ３ | ６名 |
| ２ | １６名 |
| １ | １１名 |
| ０ | １名 |
| 平均正答数・・・1.8個 |
- イオン別の正答率
| イオン | 正答率 |
|---|
| Ａｇ | ９／１０ | ９０％ |
| Ｐｂ | ８／１０ | ８０％ |
| Ｃｕ | １０／１０ | １００％ |
| Ａｌ | ４／１１ | ３６％ |
| Ｆｅ | ５／１０ | ５０％ |
| Ｚｎ | ６／１０ | ６０％ |
| Ｃａ | ６／１２ | ５０％ |
| Ｂａ | ６／１１ | ５５％ |
| Ｎａ | ５／ ９ | ５６％ |
| Ｋ | ２／ ９ | ２２％ |
- イオンの組み合わせ別の正答率
| 共存したイオン |
計 |
| Ａｇ | Ｐｂ | Ｃｕ | Ａｌ |
Ｆｅ | Ｚｎ | Ｃａ | Ｂａ |
Ｎａ | Ｋ |
| 正答の割合 | Ａｇ |
− | ＊ | 1/2 |
4/4 | 3/3 | 2/2 |
2/3 | 2/2 | 2/2 |
2/2 | 18/20 |
| Ｐｂ | ＊ | − |
1/2 | 2/3 | 2/3 |
1/1 | 3/3 | 3/4 |
2/2 | 2/2 | 16/20 |
| Ｃｕ | 2/2 | 2/2 |
− | 3/3 | ＊ |
3/3 | 2/2 | 4/4 |
3/3 | 1/1 | 20/20 |
| Ａｌ | 0/4 | 1/3 |
1/3 | − | ＊ |
0/0 | 3/4 | 1/3 |
1/2 | 1/3 | 8/22 |
| Ｆｅ | 1/3 | 1/3 |
＊ | ＊ | − |
3/4 | 2/4 | 1/2 |
1/1 | 1/3 | 10/20 |
| Ｚｎ | 1/2 | 0/1 |
2/3 | 0/0 | 2/4 |
− | 2/2 | 2/3 |
1/1 | 2/4 | 12/20 |
| Ｃａ | 1/3 | 0/3 |
1/2 | 3/4 | 1/4 |
2/2 | − | ＊ |
2/4 | 2/2 | 12/24 |
| Ｂａ | 2/2 | 1/4 |
2/4 | 3/3 | 1/2 |
0/3 | ＊ | − |
2/3 | 1/1 | 12/22 |
| Ｎａ | 1/2 | 0/2 |
2/3 | 1/2 | 1/1 |
0/1 | 3/4 | 2/3 |
− | 0/0 | 10/18 |
| Ｋ | 1/2 | 0/2 |
1/1 | 0/3 | 1/3 |
1/4 | 0/2 | 0/1 |
0/0 | − | 4/18 |
| 計 | 9/20 |
5/20 | 11/20 |
16/22 | 11/20 |
12/20 | 17/24 |
15/22 | 14/18 |
12/18 | 122/204 |
- 正答率についての考察
- Ｋイオンの正答率が低い。
- 沈殿反応のような特有の反応がなく、しかも炎色反応がわかりにくいためであろう。
- Ａｌイオンの正答率が低い。
- Ａｌイオンの確認は水酸化物の沈殿で行った。
- 水酸化物の沈殿の色（白）やもやっとした特徴的な沈殿の状態、沈殿が塩基で溶解する点で判断するが、有色の沈殿生成のような高校生レベルでの特有の反応に乏しく、Ａｌイオンの存在がわかりにくかったのであろう。
- Ｃｕイオンの正答率が100％。
- 試料溶液の色でわかったのであろう。しかし、Ｆｅイオンの正答率がよくないのはなぜか？ 実験でＣｕイオンを扱う機会が多く、青色もきれいなため、Ｃｕイオンの色が印象に残っていたのだろうか？
- ＡｇイオンとＰｂイオンの正答率が高い。
- 系統分析の最初の段階で沈殿反応が起こるので、操作ミスや完全に分離できなかったイオンなどの影響が少なかったのであろう。
- ＡｇイオンやＰｂイオンが共存すると他のイオンの正答率が低くなる。
- 系統分析の最初に加えるＨＣｌでＡｇイオンやＰｂイオンが十分沈殿せず、ろ液に混じり、後の試薬で沈殿を生じたため誤った分析結果になったのであろう。
- 特に、ＨＣｌの次に加える硫化アンモニウムで硫化物の沈殿を生じ、Ｃｕイオンが存在すると考えたものが多いようである。
- ＡｇイオンまたはＰｂイオンを含む試料溶液２１種中、Ｃｕイオンが共存していたものは４種のみだった。しかし、これらの試料（２１種）を分析したものでＣｕイオンを解答に含めていたものが９人おり、実際に含まれていた数の倍以上にのぼる。このうち５人はＣｕイオンが存在しないのにＣｕイオンの解答をしていた。Ｃｕイオンの存在は試料溶液の色で判断できるにもかかわらず、多くの誤答があった。
- Ｃｕイオンと同様に試料溶液の色で存在が確認できるＦｅイオンの場合、ＡｇイオンまたはＰｂイオンを含む試料溶液２１種中、Ｆｅイオンが共存していたものは６種。これらの試料（２１種）を分析したものでＦｅイオンを解答に含めていたものは５人のみであり、実際に含まれていた数よりも少なかった。
- １つのイオンのみ誤答した場合（１６名）から「あるイオンを誤答するときには、どのイオンと間違えやすいか？」という点も調べてみたが、データの数が少なくてよくわからなかった。
- ＡｌをＺｎ・・１名、Ｎａ・・１名、Ｋ ・・１名
- ＦｅをＡｌ・・１名
- ＺｎをＦｅ・・１名、Ｎａ・・１名
- ＣａをＫ ・・２名
- ＢａをＦｅ・・１名、Ｃａ・・２名
- ＮａをＢａ・・１名
- Ｋ をＣｕ・・１名、Ｆｅ・・１名、Ｎａ・・２名
- Ｎａイオンに間違えた場合がやや多かった（4/16）が、白金線の洗浄不足が関わっているのかもしれない（水道水の影響？）。
- Ｋイオンに間違えた場合がやや多かった（3/16）が、うまくイオンを分析できず消去法で答を出したのかもしれない。
- ＣａイオンをＫイオンに、ＢａイオンをＣａイオンに、ＫイオンをＮａイオンに間違えた（各2/16）のは、イオンの反応が比較的似ているためかもしれない。
- 今後の課題
- 実技試験を実施することもあり、授業は積極的にまた楽しんで受けてくれていた。ただ、実技試験でどの試料がくじで当たるかにより、やや当たりはずれがある。また、定期考査のため実験の失敗が成績にかなり大きく影響する。生徒の感想は「難しい」だった。これらのことから、実技試験の方法、筆記試験をなくして実技試験のみで定期考査を行うことについての是非も考える必要がある。定期考査とは別に授業中に試験を行うことについても考えたが、試験への取り組みに対して真剣味に欠けるおそれがあり行わなかった。
- 「系統分析の各段階で完全にイオンを分離しなければならない」ということをもう少し強調するべきだった。また、完全にイオンが分離できたかどうかを確認する方法についての説明が不十分だった。
- 試薬作りを実習助手の方にお願いしたが、試薬の種類や量が多いため負担が大きくなってしまった。
- 実験回数が多いので、多量に出る廃液の処理をどうするか考える必要がある。本校では例年業者に依頼している。
- 参考文献
- 阿藤 質，"基礎課程 化学実験法"，培風館（1966）．
- 盛口 襄,高田博志，"いきいき化学アイデア実験"，新生出版（1990）．
- 三井澄雄,伊藤 博，"高校化学の授業１００時間 上"，あずみの書房（1988）．
- Ｇ．シャルロー，"定性分析化学T 改訂版"，共立出版（1980）．
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