空気と物の燃え方
物が燃える時の空気
キャンプで木を燃やして食事を作るとき、火をおこすためには、うちわで燃えている木に空気を多く送りました。火を良く燃やすにはどうすればよいのでしょうか。これからものが燃えるためには何が関係してるかを調べていきましょう。教師実験です。２つの缶があります。缶の上を開けています。１つの缶は上だけを空けたもの。もう１つの缶は上のほかに、缶の下に小さい穴を沢山あけています。共に割りばしに火がつくように、下に新聞紙をいれて、火をつけた割りばしを缶の底に差し込みました。良く観察してください。「上にだけ空けた缶では、あまり燃えず黒い炭残りました。」「下に多く穴を開けた方の缶では割り箸はよく燃えました。後には白い灰が残りました。」「缶の上では炎が出て熱い空気が上にあがっていくようでした。このため下の穴から空気が入って木を勢いよく燃やして、上から空気は出ていったと思います。」
燃えているろうそくに底のない集気びんをかぶせてビンの口にふたをしましょう。底のない集気びんは平たい粘土にかぶせているので、下から空気は入りません。ろうそくの火はどうなるでしょうか。「集気びんにふたをしたから火が消えるのではないか。」「集気びんの中で、ろうそくを燃やし続けることはできないと思います。」
集気びんの中でろうそくを燃やし続けるにはどうしたらよいのでしょうか。実験しましょう。集気びんの上や下に隙間を作ってロウソクを燃やし続ける方法を調べましょう。「集気びんの口をあけ、ふたをせずに、粘土を少し取り去り、びんの下から空気が入るようにしました。下に隙間を作ってろうそくが燃え続けるかどうかを調べました。ろうそくは燃え続けました。」「ろうそくが燃え続けている時、集気びんの下の隙間から、線香の煙が吸い込まれ、集気びんの上から外に煙が出て行くことがわかりました。」「まとめます。物が燃え続けるには絶えず空気が入れ替わる必要があります。」「キャンプなどで木を燃やすとき隙間ができるように木を組んだり、うちわで空気を送ったりするのは、このような理由からです。」「空気が入れ代って新しい空気にふれる必要があるからです。」
物が燃える時の変化
空気はおもに窒素や酸素そしてわずかに二酸化炭素などの気体が混ざったものです。地球上の空気は、体積の約８０％が窒素です。全体の約２０％が酸素です。その他に、二酸化炭素などの気体が混ざったものです。
物が燃える前と後では空気の成分に違いがあるのでしょうか。気体検知管という器具を使って酸素と二酸化炭素の割合を調べることができます。石灰水という薬品を使って二酸化炭素が増えたかどうかを調べることができます。
石灰水を使うときは、二酸化炭素が含まれているかどうかを調べる時です。びんに石灰水を入れます。ふたをしてふたをしっかり押さえて振りまぜます。二酸化炭素があると白く濁ります。びんの中の空気の成分をろうそくが燃える前と後で調べます。ろうそくを燃やす前に、びんの中に石灰水で二酸化炭素があるかどうか調べます。瓶の中に火のついたろうそくを入れふたをして火が消えるまで待ちます。火が消えたら、ふたを少しずらしてろうそくを取り出し、びんの中の空気の成分を石灰水を使って調べます。ろうそくが燃える前と後で石灰水の成文の違いを記録します。ろうそくが燃える前と後で空気の成分はどのように変わったのでしょうか、二酸化炭素は、増えたのでしょうか。
気体検知管の使い方は教科書に詳しく書いてあるので、気体検知管を使って正しい使い方に慣れましょう。
「実験結果を発表します。ものの燃える前と燃えた後で空気はどのように変化したといえるか考えました。石灰水が白く濁ったことから、ろうそくが燃えた後の空気には多く二酸化炭素が含まれていることがわかりました。また気体検知管で調べた結果からも、ろうそくが燃えると、空気中の酸素が使われ、二酸化炭素の割合が増えていることがわかりました。」
「木が燃えた時、ガーゼが燃えた時、段ボールの紙が燃えた時、やはり二酸化炭素ができるか調べみました。集気びんに石灰水を少し入れました。木や紙などに火をつけて集気びんの中に入れてふたをしました．火が消えたら燃やしたものを取り出しました。そして集気びんを振りました。石灰水は白く濁りました。このことから、やはり、木や紙などが燃えるときには二酸化炭素ができることがわかりました。」「物が燃えると空気中の酸素の一部が使われ二酸化炭素ができることを気体検知管を使っても調べました。やはり、物が燃えると空気中の酸素の一部が使われます。燃えた後には二酸化炭素ができます。」
酸素のはたらき
物が燃える時、酸素はどんな働きをしているのだろうか。酸素の中で物を燃やしてみましょう。水槽の水の中でびんを水で満たしびんの中の空気を追い出し、びんの中に水を一杯入れます。水槽の中で、酸素ボンベから酸素を少しずつ出しびんの八分目まで入れます。水中でふたをしてびんを取り出します。びんを取り出しふたをします。酸素を入れたビンに火をつけたろうそくを入れます。次に線香を入れて燃え方を調べましょう。びんの底には、びんが割れないように水を少し残しておきます。酸素の中で燃え方を、空気の中での燃え方と比べてみましょう。教師実験します。
「酸素中でのろうそくの燃え方は、ろうそくは明るい炎を出して激しく燃えました。酸素の中で線香は、炎がパットついて激しく燃えました。空気中でのろうそくは穏やかに燃えました。線香は、赤く光って、炎を出さずに燃えました。窒素をボンベから取り出し、窒素の中で燃え方を観察しました．ろうそくをびんに入れるとすぐに火が消えました。線香をびんに入れるとすぐに火が消えました。」
木や紙などは燃えましたが、鉄などの金属は、酸素の中で燃えるでしょうか。教師実験をします。細い糸状の鉄で台所でよく使うスチールウールを熱く熱して酸素の中に入れます。花火のように激しく燃えましたね。この時は二酸化炭素はできませんが、酸素は使われたのです。鉄が燃える時には二酸化炭素はできません。酸素が使われるのです。鉄は酸素と反応して燃えて重くなっているのです。
「まとめたいと思います。酸素の中では、空気中と比べて、物がとても激しく燃えることから、酸素には、物を燃やす強い働きがあることがわかりました。空気中では酸素の割合が約20％から21％なので物が穏やかに燃えます。酸素の割合が小さくなると物は燃えなくなり、火は消えます。」
石油と天然ガス
石油と天然ガスの活用の写真を見ましょう
石油はさまざまな用途に使われます。現在の産業活動と人々の暮らしにとって欠かせないエネルギー資源となっています。ガソリンとして自動車燃料に使用されるのが一番多く、このほか軽油としてバス・トラックの燃料に使われています。ジェット燃料 として航空機の燃料に使われています。灯油として一般家庭や業務用の暖房に使われています。さらに、重油として発電や工場などのボイラー燃料に使われています。石油は、化学繊維やプラスチックなど石油化学製品の原料として利用されています。その特性を活かし、幅広い分野で利用されています。多くはガソリンや灯油や電力などエネルギーとして利用されています。
天然ガスは、高い熱量を発すます。燃焼時に二酸化炭素を出しますがその量は石油や石炭に比べ、少ないという大きな特長を持っています。多くの二酸化炭素の排出という環境問題が大きく取り上げられていますが、天然ガスは、地球にやさしいクリーンなエネルギー資源として注目されています。日本ではそのほとんどを発電用と都市ガス用として利用してきました。
現在では、天然ガスから熱や蒸気、電気のエネルギーを生み出し、ビルや家庭の冷暖房をはじめ、給湯、電力供給などを行うことができます。さらに自動車用燃料電池の原料など、より幅広い分野での天然ガスが活用されています。
石炭の活用の写真を見ましょう
石炭は、今から４００年ほど前、それまでの木炭に代わって石炭が熱エネルギー源として利用されるようになりました。 その後、イギリスのワットが1765年に蒸気機関を発明し、石炭を燃やし水の蒸気の圧力で工場の動力源として、多くの機械を動かしました。織物を織る機械を動かしました。織物業でイギリスは世界の工場になりました。外部の熱源から高温高圧となった水蒸気が細い筒から噴射されると、速度が増加します。この蒸気を歯車に当てます。歯車の軸が回転します。この回転が機械を動かすのです。蒸気機関車(SL)は、石炭を燃焼させて発生した蒸気をシリンダに送り、その圧力でピストンを動かす仕組みで動いています。その他、蒸気船など、石炭はさまざまな分野に応用されました。 今から１００年ほど前は、蒸気機関車や蒸気船が最高の文明の産物でした。この発明により、それまでの人間や牛や馬の力に頼っていた仕事が石炭の火のエネルギーを、力のエネルギーに変えたため、機械を動かしいろいろな生産物の生産が増加しました。石炭はイギリスの産業革命の生みの資源でした。簡単な蒸気を使って動かす玩具があります。仕組みを調べてみましょう。
酸素の発見
プリーストリーが、大きなレンズを使って太陽の光で酸化水銀を熱し、出てくる気体を調べました。この気体は未発見のものだと気付きました。その気体にろうそくの火を近づけると、火は激しく燃えました。また、その気体の中でハツカネズミは死ぬことはありませんでした。この気体の中でネズミは空気中よりも2倍長生きできることを確認しました。プリーストリー自身もこの気体を吸い込み、呼吸が楽になる、気分が良くなることを確かめました。さらに、この気体は空気の4倍から5倍くらい素晴らしい気体であると言いました。彼は『酸素』を見つけたのです。