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🌡️ 📆 令和6年3月30日

化学実験Ⅰ

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  伊藤智博

化学実験Ⅰのエネルギー化学分野は、2024年度より 化学実験Ⅱとして開講されます。

受講するにあたって

安全第一で実験しよう。 山形大学工学部安全マニュアルを熟読しよう。 万一、火災を発見したら「火事だー!」と叫び、守衛室(内線3027、携帯からは0238-26-3027)へ緊急通報すること。

高校物理を復習しよう( わかりやすい高校物理の部屋)。 電気化学を復習しよう。 3ボルト が生み出す洗剤と水素―電気化学工業―を予習しよう。

新型コロナウィルスの影響のためウェブサイトやテキストの課題ができなくなっています. 原則,ウェブクラスの課題をもって,実験としてみなします.オンラインではできない部分は,ウェブ版のテキストでシミュレータや動画を組み合わせおります. また,実験科目ということもあり,レポートをHTML化し,公開した場合,加点とします.

テスターによる電圧の測定の仕方

中学校で使った回路計(テスター)ですが,再度,回路計(テスター)による電圧の測り方を思い出そう


  1 デジタル式回路計(テスター)による 電圧の測定の仕方
化学実験Ⅰ エネルギー化学 1 )

回路計にはアナログ式回路計とデジタル式回路計があります。

WebClass 10-01 【課題】電池の電圧測定

問1.マイテスターを使って,身の回りにある電池の電圧を測定してください.測定した証拠写真を撮影して,JPEG形式の画像ファイルで提出してください.

【参考資料】

  1. マイテスターの説明書
  2. 回路計・オシロスコープの取り扱いかた,工業技術基礎 P.123
  3. https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53204/53204.asp#tester
9-500-1
9-500-2
9-500-1

廃棄物を少なくするために

情報処理概論でも触れているが、バーゼル条約により、日本は廃棄物の輸出は困難になっている。 最終的には、学生の皆さんの子供たちの世代に大量の廃棄物の処分をお願いすることになる。そこで、この実験テーマでは、廃液の量を減らすために、水の使用量が350mLに制限されるいる。 環境にやさしく、廃棄物を少なくして実験する方法としては、調製した試薬は使いまわす。洗浄用の水も使いまわすことで減らせる。 ただし、薬品が手についたなどの事故が発生したときは、水道の蛇口を捻って、大量の流水で洗い流してください。

廃棄物

準備してあるもの

準備してあるもの

準備されている試薬は市販品の原液です。 無機化学基礎で学んだ濃度の計算を使って試薬の調整をします。

進捗票について

進捗票のサインは、実験中に現物を見ながら教職員や先輩から受けてください。実験なので、実際にやったことに配点を重視しております。実験が終わって片付けてからのかレポートやノートに書かれてサインを申し出てもサインはできません。実験終了時刻後の進捗票へのサインもできません。

初回

【ポイントゲット】エネルギー化学実験(電気化学実験)の初回に,マイテスターを準備してきた人は,自分の名前の記述されたテスターおよび購入時のレシート(または,同等品)をノートに添付し,ウェブクラスに提出してください.(提出先→ウェブクラス)
単位の認定は,やったことで評価・加点します.

先生:「グループ分けをします.テーブルごとに2グループとなります.」

1. 電流・電位・電気量の測定とファラデーの電気分解の法則

硫酸銅水溶液の中でゼムクリップをめっきすることで、電流、電圧、電気量を測定し、ファラデーの電気分解の法則を理解します。 具体的な実験内容については 詳細なテキストをごらんください。

  2 銅クーロメーターによる 電気量の測定

物質量n〔mol〕と 電気量n〔C〕 は比例します。これを ファラデーの電気分解の法則と言います。 比例定数はファラデー定数F=96485.3415〔C/mol〕です。

ファラデーの法則を使って電気量を測る装置を クーロメーターと言います 3 )

先生:「電気の量ってどうやって測ると思う?」

学生:「電気・・・ってそれ化学なの?」

先生:「 電気化学 で習ったことを思い出して!もともと電気の量は物質の量に換算して求めることができるんだよ」

学生:「あ、そういえば・・・ファラデーの電気分解の法則!」

先生:「もっとも正確で定番中の定番の実験は銀クーロメーターの実験なんだけど、 は高価なので、ここでは 材料 が安価で工業上の目的にもよく使われる銅クーロメーターの実験を通して 電流・電位・電気量の測定とファラデーの電気分解の法則の理解をするね!」
先生:「実験では,硫酸銅3.0mgがめっきされたゼムクリップを作成してください.」
先生:「美しく,3.0±0.2mgの精度の重さで銅めっきされたゼムクリップを作ろう.」
先生:「硫酸銅の秤取りが終わらなくても,めっき前のゼムクリップの秤量ができるので,空いている方からやってください.」
先生:「環境に配慮して,廃液の量は,一人当たり10mL以下で実験してください.また,水道は,原則使用しないでください.ただし,薬品が着いた場合は,速やかに水道で流してください.」
先生:「実験終了時刻は,15:55まです.ウェブクラスへの提出や進捗票へのサインも15:55までとします.」

学生:「了解!」

先生:「第1回~第3回までの使用する器具を配布します.実験器具は現状復帰をしてください.TAさん,配布について説明してください.」

学生:「了解!」 (…実験の器具…)

先生:「次回の実験は,実験器具の都合上、「電池の起電力と分解電圧」のテーマと「工業への応用」のテーマはローテーションしてください。」
先生:「本日の実験は,一人一人やってください.」
(…続き…)

  3 🖱電析した物質量と電気量
©K.Tachibana

2. 電池の起電力と分解電圧

実験器具の都合上、「電池の起電力と分解電圧」のテーマと「工業への応用」のテーマはローテーションしてください。

グループ単位での単位認定となります.実験ノートには,グループ全員の実験者の署名も記述してください.

【ポイントゲット】グループリーダになったら実験ノートにグループ名,共同実験者,リーダ名を記述して,ノート写真をGoogle+に投稿してください.

本日のテーマで配布されている試薬はすべて市販品の原液です.目に入ると失明しますので,保護メガネを着用してください.

寒天とテフロン分散液を吸い上げるときは,ケミカルスポイトを使ってください.

失敗事例のGoogle+への投稿は加点です.

片づけも含めて,実験(納期)は,15:55までです.Google+への投稿も15:55までとします

準備・安全第一・グリーンケミストリ・法律対応

2.1 電池の起電力の測定

電池の起電力は電流を流さずに測定せねばなりません。そのための工夫を理解した上で、まずはダニエル電池の起電力を測定しましょう。次に参照電極として銀塩化銀電極を使って単極電位を測定しましょう。最後に活物質の濃度を変えてネルンストの式が成り立つをことを確認しましょう。


先生:「1Vって何?」

学生:「なんだろうなあ・・・」

先生:「ネットで調べてごらん」

学生:「アルミとか使ったときの電圧ですか?」

先生:「それで乾電池の電圧はかってみ」

学生:「テスターとか使っちゃだめなんですか?」

先生:「テスターは人が作ったものだよね?人類で最初に電圧を測った人はどうやったと思う?」

学生:「・・・」

先生:「それなら電池の起電力の測定の実験をやらないと!

学生:これまた電気化学定番中の定番の実験」

学生:「そうなんだ!」

先生:「まずはウェストン電池の起電力が基準になるよね。電圧は何ボルトかな? 電気化学 で習った電池式は覚えてる?」

学生:「Cd(Hg)とHgの電位差だからな。1.0138Vです。」

先生:「寝るんストの式はさておき、正解!」

学生:「ウェストン電池は、液がこぼれて困るんですが?」

先生:「ICに電圧基準が組まれて液漏れはしない時代、実験では実際にICをつかって基準電源を組みててつかいましょう。」
(…続き…)

分解電圧の測定

電解液の種類と電極の種類を変えて、電解槽を組み立て、電流と槽電圧(浴電圧)の関係を調べます。同じ電解液でも電流が流れ始める槽電圧(分解電圧)が違うことを確かめ、理論分解電圧とのずれである過電圧について理解を深めます。電流と電圧の関係を調べるボルタンメトリーの手法についても学びます。


先生:「水に電気を流すとどうなると思う?」
学生:「酸素と水素に分解します!」
先生:「正解!じゃあ何Vぐらいで分解するかな?」
学生:「1Vぐらい?」
先生:「理論分解電圧1.23V、どこかの引越しやサンみたいでおぼえやすいでしょ、でもね実際の分解電圧は電極の種類や電解液の種類でも違うんだ」
学生:「そうなんだ!」
先生:「電圧が低いのと高いのでどっちが電気代が安い?」
学生:「電圧が低い方かなあ・・・」
先生:「では、どんな材料で電解槽を作ったら電気代が安くなるか実験してみない?」
学生:「ぜひぜひ!」
(…2.1続き…)

  1 工業電解プロセス のエネルギー効率
プロセス アルミ
ニウム
溶融塩電解
食塩電解
電解精錬
亜鉛 電界採取
原料 食塩(岩塩)
製品 亜鉛
理論電気量 /kAh/t 2980 670 844 820
理論分解電圧 /V 4.17 2.2 0.1×10-3 2.0
アノード 電流密度/A/m2
単槽 電圧/V
電気量原単位 /kAh/t 3350 910
電解電力 電力原単位 ) /kWh/t 13400 2200 284 3000
電流効率
電圧効率
エネルギー効率 4 )
山下正通、小沢昭弥, 現代の電気化学, 丸善 , 工業電解プロセス p.125 , (2012). genden

理論分解電圧とは、アノードとカソードの平衡電位の差であって、槽電圧(浴電圧)をこれ以下に切り下げることはできません 。

3 . 工業への応用

先生「電気化学の講義を応用して,工業製品を作ろう」
先生「自動車などのカラフルな塗装のアルマイト, プリント基板にパターニングするエッチング, LEDを光らせる2個直列したアルカリ電池, ディスプレイへ応用が期待されるエレクトロクロミズム を自作しよう」

【ポイントゲット】実験終了時に,テーマで使用した試料と使用量を集計し,ノートに記録し,ノートの写真をGoogle+に投稿してください. 提出先→Google+

3.1 アルミニウムのアノード酸化(アルマイト加工)

アルマイト はいろいろな工業製品に使われているよ。 まずは現代の電気化学, p.149のアノード処理のところを読んでみよう。」
(…続き…)

【ポイントゲット】課題

3.2 金属の腐食(エッチング加工)

エッチング はいろいろな工業製品に使われているよ。

【ポイントゲット】課題

3.3 二酸化マンガンの還元(アルカリ乾電池)

電池 はいろいろな工業製品に使われているよ。 ここでは二酸化マンガンを使ったアルカリマンガン乾電池をビーカーで作ってみよう。

【ポイントゲット】課題

3.4 エレクトロクロミズム表示デバイス(電気→色:出力デバイス)

フラットパネルディスプレイ はいろいろな工業製品に使われているよ。

【ポイントゲット】課題

アドバンスト課題

実験成果の公開

実験成果を本学の公開用ウェブサーバーから公開してください.アドバンスト課題なので,加点とします.期限は7月31日とします. 公開した人は,ウェブクラスの課題を提出してください.公開方法と動作確認は,https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53204/53204_04.aspを参照してください.

トラブルシューティング

実演動画集

抵抗尺を使いメートルブリッジへ応用するときの動作確認画像です。

メートルブリッジ(抵抗尺)の組み立てと動作確認
メートルブリッジの原理実験

直列つなぎにを発見したのはボルタです。ボルタ電堆はガルバーニ電池(セル)を直列につないだバッテリーです。 それは直列にした回路の電圧はそれぞれの電圧の総和であるというキルヒホッフの法則の発見へとつながります。

電池の直列繋ぎ

抵抗尺を使ったダニエル電池の起電力の測定

  4 ダニエル電池の起電力と単極電位の測定

抵抗尺を使ったダニエル電池の起電力の測定

  5 抵抗尺を使ったダニエル電池の起電力の測定

分解電圧の測定準備(セルの固定)

  6 分解電圧の測定準備(セルの固定)

分解電圧の測定準備(電流計の接続)

  7 分解電圧の測定準備(電流計の接続)

分解電圧の測定

  8 分解電圧の測定

試薬のラベルを読もう

試薬のラベルには分子量(FW)や含有量(Assay, Purity)などの情報を読んでください. 「濃度がわかりません.」などの悩みを小耳にする.学生実験では原則,市販の試薬を使用しており,その試薬瓶には,密度や含有量,分子量などの情報が記述されていることが多い. 試薬瓶の情報も活用して実験をしましょう.

粉末の薬品をこぼしたときの処理

こぼれた粉末の試薬は,Al-PET(Cu-PET,Fe-PETでもよい)を小さく短冊状に切って小さなスコップを2つ作って,集めてください. 集めた試薬は,スコップを使って「廃棄薬品」のラベルを貼った細口ポリ瓶に入れてください. スコップで細口ポリ瓶に入れられない場合は,実験台の上で,水に溶かして,スポイトで吸い取って回収または廃液に捨ててください. 水に溶かしてスポイトで吸い取る操作を数回繰り返して,自然界と同程度の濃度にしてください.

電池の消耗の確認方法

テスターで単三乾電池の起電力を測定してください.電池に豆電球を接続して,電池の電圧と豆電球に流れた電流を測定してください.この結果から電池の内部抵抗を求めてください.

豆電球の電圧-電流曲線(出典:後藤君の実験記録)

テスターのヒューズ切れ

電流計を電池に並列接続するとテスターのヒューズが切れることがあります.確認したいテスターの電流測定モードにしてください.電流レンジがある場合は,最大レンジにしてください. もう1台のテスターを準備して,抵抗モードにして,確認したいテスターのテスターピン間の抵抗を図ってください.

ヒューズが切れたテスターの場合,抵抗値がO.L.(オーバーレンジ)などと表示されます.O.L.の意味は,テスターの測定範囲外の大きな抵抗値であるということで,電流計が電流を流さない状況,すなわち,ヒューズが切れている可能性が高いです.

ヒューザが切れていない場合は,下図のように,抵抗値の値が数オーム程度(mAレンジの場合)に表示されれことが多いです.アンペアレンジの場合は,0.001オームの抵抗値を表示するテスターもあります.

ヒューズを交換するときは,説明書に従って交換してください.

最終日:評点の集計(最終日:20分)

【ポイントゲット】実験ノートに配点表を元に,3回の実験の評点を集計してください. 自主的に取り組んだ配点表にない項目でアピールできること(失敗談,安全への配慮,テキストの改善案)なども実験ノートに記述してください.追加加点とします. ご近所さん(同一グループ不可)に,Google+に投稿した実験記録(証拠)と集計結果を見せて,できるだけ多くのご近所さんからコメントと署名をもらってください. ノート提出時に単位認定の参考します.最後に,評点の集計したノートをGoogle+に投稿してください. 提出先→Google+

提出したノートに自己評価が記入されていない場合は,0点扱いとなります.実験の評点なので実験中に記入してください.物質化学工学実験IIの成績評価は,電気化学実験3コマと有機実験9コマの総合点となります. ノートを取りに来ない場合,夏休み終了後,2週間程度(10月中旬)に処分いたします.

普通級電位差計

【📖テキスト・📕参考書】


山形大学 大学院 理工学研究科 C1ラボラトリー
〒992-8510 山形県米沢市城南4丁目3-16 3号館(物質化学工学科棟) 3-3301
准教授 伊藤智博
0238-26-3753
http://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/

QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/public/53204/53204.asp

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山形大学 データベースアメニティ研究所
〒992-8510 山形県米沢市城南4丁目3-16
3号館(物質化学工学科棟) 3-3301
准教授 伊藤智博
0238-26-3573
http://amenity.yz.yamagata-u.ac.jp/

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