シャーペンの芯が電極に！「塩化銅の電気分解」で化学変化を追跡しよう（マイクロスケール実験でエコに！）

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

皆さん、理科の実験と聞くと、何を思い浮かべますか？ ビーカーやフラスコが並び、なんだか難しそうな薬品をたくさん使う…そんなイメージかもしれません。でも実は、もっと手軽に、そして環境にも優しく科学の核心に迫る方法があるんです。

今回は、中学校の理科でもおなじみの「塩化銅の電気分解」を、驚くほど小さな実験器具（ #マイクロプレート ）を使って行う「 #マイクロスケール実験 」でご紹介します。この実験、ただ電気を流すだけじゃないんです。青く美しい水溶液が「透明」に変わり、見えなかったはずの「金属」が現れる…。まるで魔法のような化学変化を、目の前で観察できますよ！

小さな実験室「マイクロスケール」の魅力

今回行った「 #マイクロスケール実験 」は、私が以前勤めていた学校でも取り入れていた方法です。 使う薬品や水の量を最小限に抑えるため、実験後に出る「廃液（はいえき）」を劇的に減らすことができます。環境に配慮しながら、準備や片付けも簡単になり、安全に実験が楽しめるのが最大の魅力です。

小さなスケールだからこそ、変化が素早く現れることもあり、観察にもぴったりなんですよ。マイクロスケール実験についてもっと知りたい方は、こちらの論文をぜひチェックしてみてください。実験の詳細や、塩化銅水溶液の作り方についても丁寧にまとめられています。

マイクロスケール実験については、詳しくこちらの論文で詳しくまとめられています

こちらが実際の実験の様子です。まずは動画でご覧ください！

実験の準備と「なるほど！」な工夫

実験に使う「塩化銅水溶液」は、青い色をした液体です。 理科の実験では、薬品の濃度（こさ）を正確に計算して準備します。

【10%-塩化銅（Ⅱ）二水和物水溶液の調製法】

塩化銅（Ⅱ）二水和物 CuCl2・2H2O 式量＝170.48

10%水溶液を調製する場合，水和水を除いて10gになる量をはかりとる。 CuCl2＝63.5＋35×2＝133.5 　　2H2O＝2×18＝36 であるから，

よって，13gの塩化銅（Ⅱ）二水和物結晶に水を加えて100gにする。

少し専門的な計算が出てきましたが、これは水溶液に「水和水（結晶に含まれる水）」がある場合に必要な計算ですね。ただ、嬉しいことに、今回の実験の塩化銅の濃度は、低めでも可能です（３パーセントでも大丈夫です）。論文ではひとつのセル（実験の穴）に４cm³とありますが、比較のために1cm³も用意しました。

ちなみに、仮に学校で4人班×10班（40人クラス）で実験するとしても、1班分（４cm³）×１０＝４０cm³。４クラス全体でもたった１６０cm³（牛乳パックの1/6程度）で済んでしまいます。本当にエコですよね！

（今回は比較実験もしたかったので、多めに作っています）

実験方法と安全の工夫

実験方法はシンプルです。

1. セルに塩化銅（Ⅱ）二水和物水溶液を入れる。
2. 炭素棒電極を挿入し，5V直流電圧を印加する。
3. 陽極（＋極），陰極（－極）での変化を観察する。
4. 陽極・陰極から発生したものについて調べる。

ここで面白い工夫があります。電極に使う「炭素棒」ですが、なんと「太い2mmの芯のシャーペンの芯」で代用できてしまうんです！

2mmの芯のシャーペンの芯

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シャーペンの芯も、鉛筆の芯と同じ「炭素」でできており、電気をよく通すんですね。

ただし、ここで重要なのが「ショート防止」です。＋極と－極が水溶液の中でくっついてしまうと、電気が水溶液ではなく電極同士を直接流れてしまい（ショート）、正しく電気分解ができません。非常に危険です。そこで、発泡スチロールを小さくカットして電極を固定する台座を作りました。

発泡スチロールがなくても、電極を「八の字」に開いて、絶対にくっつけないように強く注意することも大切です。

回路はこんな風に、１つの電源装置から分岐させて、２つの実験を同時に行えるようにしました。電圧は５Vです。

いざ実験！青い水溶液が大変身

電極をとりつけて、電気分解をスタート！

じっと溶液を観察していると…さっそく変化が現れました。陰極（－極）の方に、何か茶色っぽい物質がまとわりついていくのがわかります。そして陽極（＋極）の方からは、細かな泡がプツプツと発生し始めました。

さらに１０分間くらい電圧をかけ続けると…あれほど鮮やかだった水溶液の青色が、すっかり消えて透明になりました！（※時間を短縮したい場合は9Vくらいで行うこともできますが、ショートには一層の注意が必要です！）

謎解き編：消えた「青」と現れた「泡」の正体

さて、この不思議な変化の正体を突き止めましょう。まず、水溶液の「青色」の正体は、「銅イオン（Cu²⁺）」という粒子です。塩化銅（CuCl₂）が水に溶けると、銅イオン（Cu²⁺）と塩化物イオン（Cl^–）に分かれます。

【陰極（－極）での変化】

陰極（－極）には、プラスの電気を持つ「銅イオン（Cu²⁺）」が引き寄せられます。そして、電源から送られてきた電子（e^–）を受け取り、電気的に中性な「銅（Cu）」の原子になります。これが、電極に付着した茶色い物質の正体です！水溶液から青色の「銅イオン」がどんどん「銅」に変わっていったため、水溶液の色が消えて透明になった、というわけです。

【陽極（＋極）での変化】
陽極（＋極）には、マイナスの電気を持つ「塩化物イオン（Cl^–）」が引き寄せられます。そして、電子（e^–）を奪われて「塩素（Cl₂）」という気体（ガス）になります。あのプツプツとした泡の正体は、プールの消毒の匂いでおなじみの「塩素」だったのです！

塩素には「脱色作用（だっしょくさよう）」といって、色を消す（漂白する）働きがあります。生徒たちには、この塩素の確認を自由に試してもらいました。ろ紙に水性インク（赤）をたらして、それを陽極の近くに置いて脱色反応を確かめる班、ろ紙を溶液に浸してみる班、隣のセルに水とインクを入れて泡を誘導する班など、様々です。

水性のインクの他に、緑色の蛍光ペンを使うと、色の変化がとても見やすいこともわかりました！これも面白い発見です。

広がる科学のつながり

実験はこれで終わりではありません。陰極（－極）に付着した「銅」は、ろ紙の上に取り出してスプーンなどでこすると、ピカピカの金属光沢を放つのも確認できます。さらに、ある班はガスバーナーを使って、水溶液や付着した銅を燃やし、「炎色反応（えんしょくはんのう）」を確かめていました。

銅は炎に入れると青緑色の炎を上げます。これは花火の色付けにも使われている原理です。自分たちで取り出した物質が、確かに「銅」であることを、色々な方法で確かめていく…まさに科学の醍醐味（だいごみ）ですね。「電気分解」という言葉だけを覚えるのではなく、実際に目の前で物質が変わり、色が消え、新しい物質が生まれる瞬間を体験することで、化学の面白さがグッと深まります。いろいろな発見のある、本当に面白い実験です。マイクロスケール実験については、こちらの本も買ってみました。

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