ライターの石からレアアースを分離する 前編(Syntheses Lhanthanum & Cerium Ammonium Sulfate at home Part 1 of 2)
イントロ
オイルライターの発火石(火打石、フリント)にはレアアースが使われています。
このレアアースを身の回りにあるものを使って結晶・粉末という形で
分離する(レアアースを含む結晶・粉末を作る)方法を紹介します。
前編では実験のやり方を紹介し、後編ではその方法について解説します。
この実験の基本的な原理はネオジム磁石から硫酸ネオジムアンモニウムを
作る実験を参考にしています。
必要な物
・オイルライター用発火石 6個…100円ショップ、コンビニなどで購入できます。
・トイレ用洗剤…成分に塩酸とあるもの。色が付いていないタイプを推奨。
・精製した硫酸アンモニウム…ホームセンターや通販で購入した硫酸アンモニウムを
・カッターまたはハサミ
・ガラス製の容器 3個…最低100mlの水が入る綺麗に洗ったジャムの空き瓶など
・液体の体積が測れる道具…メスシリンダーなど。金属製の物は使用厳禁！
・ろう斗(ロート、じょうご)…100円ショップ等で購入できる。
できれば小さいサイズを推奨
・コーヒーフィルター…100円ショップで購入できます。
・プラスチック製のマドラーやスプーン…100円ショップなどで購入できます。
金属製の物は使用厳禁！
・天秤(0.1gまで測れるタイプ)…キッチングッズを販売している店で購入できます。
・ラップ
・スポイト
実験方法・やり方
※腐食性の液体を使うので金属製の物(装飾品など)に
触れないように作業してください！
レアアースを含む粉末・粒状結晶を作る
① 発火石6個の塗装の2か所をカッターやハサミで削る(図1参照)。
② 削った発火石6個をガラスをガラス製の容器に入れる。
③ 悪臭がしても問題ない場所に移す。
④ 発火石が入っているガラス容器にトイレ用洗剤12mlを静かに注ぐ。
⑤ ラップを密閉状態にならないようにやさしく被せて90分間置いておく。
⑥ 90分間待っている間に、時々揺らしておく
⑦ 90分間経ったら、ろう斗とコーヒーフィルターの組み合わせで⑤の液をろ過する。
⑧ ろ過した液に、精製した硫酸アンモニウム2.6gを一度に加える。
⑨ 硫酸アンモニウムの大きな塊が溶けて無くなるまでかき混ぜ続ける。
⑩ 粉状の沈殿が生じているのを確認したら、ラップをきっちりかけて1晩置いておく
⑪ ろう斗とコーヒーフィルターの組み合わせでろ過をする。
注意：稀に粉状の沈殿を置いておくと粒状の結晶(図2左参照)ができることがあります。
もしも、粉状の沈殿と粒状の結晶が混ざった状態の場合(図2右参照)、粉状の沈殿
が無くなるまで待ってからろ過を行った方が純度の良いものが得られます。
⑫ ろ過が終わったらコーヒーフィルター上の粉状沈殿または粒上の結晶に水1mlと
トイレ用洗剤1mlを混ぜた液をスポイトを使って全体に少しずつかける。
⑬ 室温で、粉状沈殿または粒状結晶を乾燥させる。
もしも、粉状沈殿を結晶にしたいのであれば⑭～⑱を行う。
レアアースを含む粉末を大きい結晶にする
⑭ 乾燥した粉状沈殿をガラス製容器に入れる。
⑮ ⑭に水32mlを静かに混ぜながら加える。
⑯ 粉が全て溶けたことを確認したらティッシュを被せて、置いておく
粉が溶けた後の水が薄い紫色の場合、トイレ用洗剤を5滴程加える。
⑰ 生じた結晶が水面から出る少し前まで水が減ったら結晶を取り出す。
⑱ 室温で結晶を乾燥させる。
自由研究やインテリアに使う人向け 実験器具の購入方法
自由研究で実験器具を使いたい人、インテリア用で実験器具が欲しい人向けに
実験器具がどこで購入できるのか紹介していきたいと思います。
実験器具を購入できる場所
実験器具は私たちが普段、買い物をする時と同じように店頭と通販で
購入することができます。
専門店
メリット：実物を見ることができる
デメリット：住んでいる街にあるとは限らない
実験器具を販売している問屋さんや教材を販売している業者の中には
実店舗で販売しているところがあります。
専門店なので様々な種類やサイズの器具が置いてあり、スーパーマーケットで
買い物する際と同じように自分の目で見て選ぶことができます。
加えて、下記で紹介する実店舗販売に比べると値段が少し安い場合があります。
しかし、専門店は住んでいる街に必ずあるとは限りません。
東急ハンズ
メリット：実験キットや実験の材料も販売している
デメリット：店舗が無い県がある。一部の器具が無い
東急ハンズでは実験器具だけでなく実験キットも販売されており、
実際に自分の目で見て選ぶことができます。
また、工作で使う工具や材料など実験に使うことができる物も購入できます。
ただし、東急ハンズは店舗の無い県が存在しています。
また、高校化学以上で扱う器具は販売されてないです。
ホームセンター
メリット：実験の材料が販売されている
デメリット：実験器具を取り扱っているとは限らない。
ごく一部のホームセンターでは実験器具を販売している店舗があります。
しかし、実験器具を扱っていたとしても欲しいサイズや規格の器具が
販売されていない場合があります。
実験器具が販売されていなくてもホームセンターは様々な工具や材料を
購入することができます。
科学に関する博物館のお土産コーナー
メリット：(見学のついでに買える)
デメリット：扱っている器具が少ない
国立科学博物館など大きくて科学に関する博物館の土産コーナーでは
実験器具を扱っています(100%扱っているとは限らない)。
恐らく、この記事の中で一番扱っている器具の種類は少ないです。
実験キットが販売されていることもありますが、あくまでも博物館に
来たついでぐらいに考えるとよいと思います。
通販サイト
メリット：どこでも、誰でも購入できる
デメリット：実物を確認できない。送料がかかる場合がある
教材を販売しているサイトから大手通販サイトまで様々な通販サイトで
実験器具を購入することができます。
通販サイトはネットがつながれば、誰でも購入することができます。
ただし、サイトによっては欲しいサイズや規格の器具が販売されていない
場合があります。加えて送料がかかる場合もあります。
【補足 中古の器具はどうなのか？】
フリーマーケット(フリマ)サイトやオークションサイトで実験器具が
販売されていることがあります。
新品の器具や簡単な機械(装置)であれば基本的に気にする必要な無いです。
しかし、中古の実験器具の場合、今までにどんな薬品を使い、
どんな使われ方をしたのかが不明です。
そのため、中古の実験器具を使って実験すると実験の失敗や
場合によっては器具の破損によるケガが起こる可能性があります。
上記の事から個人的に中古の実験器具を購入して実験に使用することは
あまり推奨はしません。
そもそも、研究現場で使われる器具はどこから購入しているのか？
研究室や実験の授業で使われている実験器具は基本的に理化学機器や
試薬(薬品)を扱う業者から購入しています。
ただし、一部の追加工のあるオーダーメイド製の器具に関しては
実験用の器具を作ってもらう業者の方にお願いすることもあります。
また、ごくまれにちょっとした消耗品をモノタロウなどの通販で
購入することもあります。
器具の洗浄について(自由研究から実験室レベルまで)
この記事では自由研究レベルから研究室レベル？までの一般的な
器具の洗い方を紹介していきます。
綺麗な器具を洗う重要性
実験で使う器具が汚れていると、実験の失敗や酷い場合はケガのもとになります。
特に、市販されていない物質を使う場合は、その物質を作るのに高い薬品を
使って何日間もかかっていることもあるので、実験器具が汚れていただけで
苦労した時間もお金も無駄になってしまいます。
自由研究でも時間が無い中、実験をゼロからやり直したり、
期待通りの結果が得られなかったりすることにつながります。
器具を洗う手順
一般的な器具を洗う際には下記のステップで行います。
1. 廃液の除去
2. 固体の除去
3. ブラシ、スポンジによる洗浄
4. 純水(蒸留水)による置換
1. 廃液の除去
実験器具は最終的に流し場で洗浄します。実験で使用して不要となった液体(廃液)が
実験器具に付着していると流し場から下水へ流れてしまいます。
また、次のステップで行う固体の除去を行う際に、手間がかかってしまったり、
廃液の量が増えてしまうことに繋がります。
廃液の除去方法は、最初に器具内にある廃液を廃液用の容器(タンク)に
移し入れます。状況によっては器具内の固体が廃液用の容器に入れないよう
注意して廃液を映し入れる必要があります。
廃液を移し入れても器具は廃液で濡れているため、器具に残っている
廃液を除去する作業が必要です。
残った廃液の除去は実験で使用した溶媒(液体)で中を軽く濯ぎます。
勿論、濯ぎに使って廃液が混じった溶媒は廃液用の容器に捨てます。
2. 固体の除去
実験によっては器具内に固体が付着している場合があります。
廃液用の器具にろう斗とろ紙をセットしておけば廃液を捨てる際に
固体の除去も同時にすることができます。
場合によっては器具に固体がくっついて残ってしまう場合もあります。
器具に残った固体はキムワイプ等(紙製の雑巾のようなもの)でふき取れば
除去できます(自由研究の場合はティシュでふき取りましょう)。
しかし、場合によっては固体を溶かして除去する必要があります。
溶かして固体を除去する場合には二つの方法があります。
一つ目の方法は単純に固体を溶解できる溶媒を加える方法です。
この方法で、水を使うのであればお湯にして溶解度と溶解スピードを
上げることができます。
二つ目の方法は固体と反応して溶かす物質を使う方法です。
酸や塩基、酸化剤、還元剤の水溶液を使って固体を溶かし、除去します。
扱う物質によってはバケツに上記の水溶液を入れておいて、付け置きする
必要があります。
固体を溶かして除去した場合、器具は廃液で濡れているので
水や揮発性の高い有機溶媒で濯ぐ必要があります。
特に付け置きした場合は、器具の内側だけでなく外側も水で濯ぐ必要があります。
3. ブラシ、スポンジによる洗浄
固体と廃液を除去した器具を流しでスポンジやブラシを使って洗います。
基本的には食器を洗うのと同じ要領です。
器具専用の洗剤をつけたスポンジやブラシを使って器具を擦っていきます。
樹脂製の器具は強くこすると傷がついてしまうので優しくこする必要があります。
スポンジやブラシで器具を擦り終わったら、水道水で洗剤を洗い流します。
器具に洗剤が残ってしまうと困るので食器よりも少し長く水道水で
洗い流すぐらいが良いと思います。
自由研究であるなら安い中性洗剤をつけたスポンジで上記と同じように
洗えば問題ありません。
当たり前ですが、食器を洗うスポンジと器具を洗うスポンジは分けておきましょう。
4. 純水(蒸留水)による置換
水道水にはカルキ(塩素とも呼ばれます)という消毒のために使われた
物質やミネラル分が含まれています。
そのため、水道水で洗った後の器具をそのまま乾燥させると、水垢の
ようなものが残ってしまいます。
また、実験によってはカルキやミネラルが邪魔をする場合もあります。
そのため、水道水で洗った後の器具は純水(蒸留水)で濯ぐ必要があります。
純水(蒸留水)で器具を濯ぐ際には器具内は最低3回、器具の外側は最低1回
濯いでおきましょう。
自由研究の場合、基本的に純水(蒸留水)で濯ぐ必要はありません。
どうしても純水(蒸留水)で濯ぎたいのであれば100円ショップで販売されている
洗浄瓶(くの字のノズルが付いている)にドラッグストアで販売されている
精製水を使って濯ぎましょう。
調味料や洗剤で汚い十円玉は還元できない？ 後編
後編では、酸化銅(Ⅱ)に調味料(お酢)やトイレ用洗剤を加えてみて
その様子がどうなるかを確認を行います。
そして、最後にこの実験と汚い十円玉が綺麗になるメカニズムについて解説します。
実験方法・やり方
2. 酸化銅が還元されるのか確認する
2-1 調味料(お酢)を使った場合
① プラスチック製のスプーンを使って一つまみ分の酸化銅(Ⅱ)を
プラスチック製カップに入れる
使って少しずつ加える。
③ 小さな円を描くようにカップを回す。
④ 変化を確認する。
⑤ 黒色の酸化銅(Ⅱ)が無くなるまで②～④を繰り返す。
2-2 トイレ用洗剤を使った場合
① プラスチック製のスプーンを使って一つまみ分の酸化銅(Ⅱ)を
プラスチック製カップに入れる
② ①のプラスチック製のカップにトイレ用洗剤をスポイトやスプーンを
使って少しずつ加える。
③ 小さな円を描くようにカップを回す。
④ 変化を確認する。
⑤ 黒色の酸化銅(Ⅱ)が無くなるまで②～④を繰り返す。
2-3 トイレ用洗剤(塩酸)に銅は溶けるのか確認
① プラスチック製のカップに約1cmの長さの銅製針金を入れる。
② ①のプラスチック製のカップにトイレ用洗剤を加える
③ 小さな円を描くようにカップを回す。
解説
十円玉の錆は何か？ そもそも汚くなった十円玉はどうなっているのか？
十円玉は銅という茶色い金属と少量の亜鉛とスズという金属で作られています。
銅は湿った空気中に長い間放置されると、その表面に錆が生じるため、
黒や緑色になったりします。十円玉は人が使っていくうちに、その表面の錆が
生じてしまったり、汚れが付いていくことで汚くなっていきます。
そもそも、還元とは何か？ 汚い十円玉が還元されるとどうなるか？
還元とその対義語の酸化とは何なのかざっくりまとめると表1のようになります。
表1 酸化と還元について
酸化と還元は酸素原子の授受についてが一般的に知られていますが、
状況や見方によっては水素原子や電子に関するものもあります。
詳細については、時間があるときに記事にしたいと思います。
さて、銅が錆びて酸化銅(Ⅱ)になるということは酸素原子を受け取ることになるので
酸化になります。そのため、酸化銅(Ⅱ)が還元されるということは酸素原子を
失って金属の銅に戻ることになります。
何故、調味料やトイレ用洗剤で十円玉が綺麗になるのか？
十円玉は銅でできているため、酸化銅(Ⅱ)という錆が生じます。
調味料や洗剤で銅の錆である酸化銅(Ⅱ)が還元されるのであれば
金属の銅が生じるはずです。
しかし、酸化銅(Ⅱ)に調味料(お酢)やトイレ用洗剤を加えて混ぜてみると
酸化銅(Ⅱ)は溶けて無くなってしまいます。
(※茶色いかけらは銅製針金から剥がれ落ちた破片です)
これは、酸化銅(Ⅱ)とお酢中の酢酸、酸化銅(Ⅱ)とトイレ用洗剤中の塩酸が
反応して水溶性の物質が生じたからです。
書くまでもないですが、お酢やトイレ用洗剤には様々な成分が含まれていますが
その大部分は水であるため、反応で生じた水溶性物質はどんどん溶けていきます。
【お酢の場合の反応式】
CuO + 2CH₃COOH→(CH₃COO)₂Cu + H₂O (酸化銅(Ⅱ) + 酢酸→酢酸銅(Ⅱ) + 水)
【トイレ用洗剤の場合の反応式】
CuO + 2HCl→CuCl₂ + H₂O (酸化銅(Ⅱ) + 塩酸→塩化銅(Ⅱ) + 水)
【補足1 塩酸について】
塩酸は塩化水素という物質を水に溶かしたものです。
そのため、「酸化銅(Ⅱ) + 塩酸→～」という書き方は本来は間違いであり
正しくは「酸化銅(Ⅱ) + 塩化水素→～」になります。
【補足2 化学式について】
CuO：酸化銅(Ⅱ), CH₃COOH：酢酸(お酢の主成分), H₂O：水,
(CH₃COO)₂Cu：酢酸銅(Ⅱ), HCl：塩化水素, CuCl₂：塩化銅(Ⅱ)
以上のことから錆が生じて汚くなった十円玉が調味料や洗剤で綺麗になるのは、
単純に表面に生じた錆が溶けて取り除かれているだけです。
つまり、綺麗になるのは還元ではない！ことになります。
一度還元されてから調味料や洗剤に溶けたという考え方について
今回の実験について、「酸化銅(Ⅱ)が調味料や洗剤で一度還元されて
銅になった後に、調味料や洗剤に溶けている。つまり還元は起きている。」
と思う人がいるかもしれません。
しかし、「2-3 トイレ用洗剤(塩酸)に銅は溶けるのか」をしているのであれば
塩酸に銅は溶けないので、その考え方は間違いということになります。
【補足3 塩酸に銅が溶けることもあります】
銅を塩酸に浸した状態で長い間放置したり、空気を吹き込み続けたりすると
空気中の酸素が原因で銅が溶けだします。
調味料や洗剤を入れて茶色い破片があるから還元されているのでは？
実験方法1.⑫で茶色の固体(銅製針金の破片)がうまく取り除けないと
酸化銅(Ⅱ)に銅が混じった状態になってしまいます。
銅が混じった酸化銅(Ⅱ)に調味料やトイレ用洗剤を加えると
酸化銅(Ⅱ)は溶けてしまうので、銅だけが残ってしまいます。
別の方法で酸化銅(Ⅱ)を作れば銅は混入することはありません。
しかし、作る方法があるのですが、安全性やかかる時間、費用などを考えた
結果、今回のやり方を紹介することになりました。
銅が少し混入していても調味料や洗剤を加えることで
大部分が溶けていることから還元では無いと解ると思います。
酸化銅(Ⅱ)や酢酸銅(Ⅱ)などの(Ⅱ)の意味は？
酸化銅(Ⅱ)や酢酸銅(Ⅱ)などは銅のイオンと－の電気を帯びたイオン(陰イオン)
から構成されています。
銅のイオンにはCu⁺(銅(I)イオン)とCu²⁺(銅(Ⅱ)イオン)の二種類があり、
化合物を構成する銅のイオンがどちらなのかを区別するために(I)や(Ⅱ)を
使っています。
今回の記事で紹介した酸化銅(Ⅱ)やオキシ酢酸(Ⅱ)、酢酸銅(Ⅱ)、
塩化銅(Ⅱ)は全てCu²⁺が含まれているので(Ⅱ)が名前についています。
調味料や洗剤で汚い十円玉は還元できない？ 前編
イントロ
調味料や洗剤で十円玉を綺麗にする実験は夏休みの自由研究で
定番？と思われる実験の一つです。
この実験で十円玉が綺麗になるメカニズムは表面の錆が調味料や
洗剤に含まれる酸によって溶かされて取り除かれるためなのです。
しかし、綺麗になるメカニズムが「酸によって還元されたから」という
間違った情報が某Q&Aサイトや教育系のページなどで見られました。
そこで、十円玉が綺麗になる理由が還元では無いことを証明する実験を紹介します。
前編では実験の下準備について紹介します。
必要な物(後編で使うものも一緒に書いてます)
・100ml程の水が入るガラス製容器…綺麗に洗ったジャムなどの空き瓶。
・250ml以上の水が入るガラス製容器…綺麗に洗ったジャムなどの空き瓶。
・耐熱性のガラス製容器…綺麗に洗ったジャムなどの空き瓶。
・銅製の針金…100円ショップやホームセンターで購入できます。
・9V電池…100円ショップの物が安いのでオススメです。
・ニッパかラジオペンチ…銅製の針金を切るのに使います。100円ショップで買えます。
・食塩
・ろう斗(ロート、じょうご)…100円ショップで購入できます。
・コーヒーフィルター……100円ショップで購入できます。
・プラスチック製のマドラーやスプーン…金属性の物で代用は厳禁です。
・トイレ用洗剤…成分に塩酸とあるもの。色が付いてないタイプを推奨
・お酢
・スポイト…無くても大丈夫です。あると操作が楽になります。
・プラスチック製のカップ…100円ショップ等でマヨネーズやタルタルソース、
ドレッシング入れとして販売されています。金属製の物での代用は厳禁です。
実験方法・やりかた
1. 酸化銅(Ⅱ)(十円玉の錆の成分の一つ)を作る
① 銅製の針金をペンや鉛筆に巻き付けて、図1のように長さ5cmぐらいのバネを作る。
② バネが付いた銅線をバネから20 cmぐらいのところで切る。
③ ①と②で作ったものをもう一つ作る(バネのついた針金が2本できる)。
④ 100ml程の水が入るガラス製容器にバネ状の大部分が付かるぐらいまで水を入れる。
⑤ ②に食塩一つまみを入れて溶かす。
⑥ 二本あるバネ付いた針金のうち、1本の針金部分を9V電池のー極に
巻き付けて取り付ける。
⑦ 二本あるバネ付いた針金のうち、もう1本の針金部分を9V電池の＋極に
巻き付けて取り付け、セロハンテープで取り付ける。
⑧ バネの付いた針金のバネの部分を⑤の食塩水に入れる。
⑨ 2～3時間待つ
⑩食塩水からバネの部分をゆっくりと引き上げる。
⑪ 250ml以上の水が入るガラス製容器とろう斗とコーヒーフィルターの組み合わせで
⑩で生じている沈殿をろ過する準備をする。
⑫ 沈殿をかき混ぜてから1秒後に少しずつろ過を繰り返す。
この時、茶色の固体はなるべくコーヒーフィルターの方に流れないようにする。
⑬ ⑫が終わったらコーヒーフィルター中の沈殿に水を30～50ml静かにかけて
付着している食塩水を洗い流す。
⑭ ある程度水気が切れてから沈殿を耐熱性ガラス容器に移す。
⑮ 耐熱性ガラス容器に入れた沈殿をオーブントースターで黒くなるまで加熱する。
身近な物で色が変わる結晶を作る(硫酸ネオジムアンモニウムの合成) 後編(Syntheses Neodymium Ammonium Sulfate at home Part 2 of 2)
前編では色が変わる結晶の作り方について紹介しました。
後編では実験の原理についてQ＆A形式で説明していきます。
解説
- 解説
何故、ネオジム磁石の表面を削るのか？(操作①)
結論から言うとネオジム磁石がトイレ用洗剤に溶けるまでの時間を
短縮するためです。何故、ネオジム磁石の表面を削った方がトイレ用洗剤に
溶けるまでの時間が短くなるかというと、ネオジム磁石は鉄、ネオジム、
ジスプロシウムという金属とホウ素という金属以外の物質からできています。
ネオジム磁石を構成する金属というのは錆びやすい金属であるため、
その表面はニッケルというそこそこ錆びにくい金属で覆われています。
ニッケルはトイレ用洗剤(塩酸)にゆっくりと溶けます。
そのため、ネオジム磁石の表面を削らなかった場合、ニッケルが溶けるのに
時間がかかってしまう分、削らなかった場合に比べて溶ける時間が
長くなってしまいます。
ネオジム磁石にトイレ用洗剤を加えると何が起きているのか？(操作④～⑥)
今回、使用したトイレ用洗剤には塩酸が含まれています。
ネオジム磁石に使用されている金属は錆びやすい、見方を変えると
他の物質と反応しやすい金属が使われています。
そのため、ネオジム磁石を構成する金属は塩酸と反応すると水素を発生しながら
水溶性の物質(FeCl₂やNdCl₃、DyCl₃)という物質が生じます。
トイレ用洗剤の大部分は水であるため、生じた水溶性の物質は溶けていくため、
結果、磁石が溶けていくことになります。
【反応式】
Fe + 2HCl→FeCl₂ + H₂ (鉄 + 塩酸→塩化鉄(Ⅱ) + 水素)
2Nd + 6HCl→2NdCl₃ + 3H₂ (ネオジム + 塩酸→塩化ネオジム + 水素)
2Dy + 6HCl→2DyCl₃ + 3H₂ (ジスプロシウム + 塩酸→塩化ジスプロシウム + 水素)
【補足1 塩酸について】
塩酸は塩化水素という物質を水に溶かしたものです。
そのため、「金属 + 塩酸→～」という書き方は本来は間違いであり
正しくは「金属 + 塩化水素→～」になります。
【補足2 元素記号と化学式について】
Fe：鉄, Nd：ネオジム, Dy：ジスプロシウム, HCl：塩化水素, H₂：水素
FeCl₂：塩化鉄(Ⅱ), NdCl₃：塩化ネオジム, DyCl₃：塩化ジスプロシウム
磁石が溶けた後に沈んでいる黒い粉は何か？(操作⑦)
結論から書くと、黒い粉の正体はホウ素です。
この内、金属は塩酸(トイレ用洗剤)で溶けてしまいますが、ホウ素は
塩酸と反応しません。また、ホウ素は水にも溶けないので沈んだ状態で
残ります。
黒い粉の正体はホウ素でしたが磁石が溶けた後に浮かんでいる
磁石の外側は、書くまでもないですがニッケルになります。
硫酸アンモニウムを加えてできる固体(沈殿)は何か？(操作⑧)
磁石が溶けた後のトイレ用洗剤中には反応で生じたFeCl₂やNdCl₃、DyCl₃が
水に溶けた状態になっています。これらの物質が水に溶けると
+の電気を帯びたイオンである陽イオンと-の電気を帯びたイオンである
陰イオンに分かれます。そして、ある物質が陽イオンと陰イオンに
分かれることを電離といいます。また、FeCl₂などと同じように
硫酸アンモニウムも水に溶けると電離します。
【電離】
FeCl₂→Fe²⁺ + 2Cl⁻ (塩化鉄(Ⅱ)→鉄(Ⅱ)イオン + 塩化物イオン)
NdCl₃→Nd³⁺ + 3Cl⁻ (塩化ネオジム→ネオジムイオン + 塩化物イオン)
DyCl₃→Dy³⁺ + 3Cl⁻ (塩化ジスプロシウム→ジスプロシウムイオン + 塩化物イオン)
(NH₄)₂SO₄→2NH₄⁺ + SO₄²⁻ (硫酸アンモニウム→アンモニウムイオン + 硫酸イオン)
【補足3 イオン式について】
Fe²⁺：鉄(Ⅱ)イオン, Cl⁻：塩化物イオン, Nd³⁺：ネオジムイオン,
Dy³⁺：ジスプロシウムイオン,NH₄⁺：アンモニウムイオン, SO₄²⁻：硫酸イオン
ここで軽くまとめると磁石が塩酸(トイレ用洗剤)と反応するとNdCl₃
という物質が生じます。そしてNdCl₃はトイレ用洗剤中の水に溶けて
Nd³⁺とCl⁻に電離しています。
Nd³⁺を含んでいる水に電離するとSO₄²⁻を生じる物質を(沢山)加えると
Nd³⁺とSO₄²⁻が結びついて硫酸ネオジムという水にやや溶けにくい
物質が生じるため沈殿が生じます。今回の実験では硫酸イオンを
生じる物質として硫酸アンモニウムを用いました。
厳密にはNd³⁺とSO₄²⁻が結びつく際には元々SO₄²⁻と結びついていた
陽イオンが取り込まれてしまうため、生じている沈殿は
【補足4 本当に沈殿している物質について】
水和物とは、ある物質の結晶の空間中に一定の割合で水(結晶水)が
含まれている物質のことを言います。
そして、肝心の化学式についてはNd³⁺とNH₄⁺、結晶水がどの割合なのか
解っていないため化学式は解っていません。
詳細は番外編で書きますが、(NH₄)₂SO₄・Nd₂(SO₄)₃・8H₂Oではないかと
考えています。
固体(沈殿)をトイレ用洗剤で濯いでから水に溶かすのか？(操作⑫～⑮)
今回、目的の物質(必要としている物質)は硫酸ネオジムアンモニムです。
生じた硫酸ネオジムアンモニムは粉状であり、不純物として磁石と塩酸の
反応で生じたFeCl₂や未反応の(NH₄)₂SO₄が含まれた状態になっています。
そのため、不純物を取り除くと同時に硫酸ネオジムアンモニムを粉から
綺麗な粒ぐらいの大きさの結晶にするために再結晶を行う必要があります。
再結晶の原理については硫酸アンモニウムの精製のページを参照してください。
結晶をトイレ用洗剤と水で濯ぐのは何故か？(操作⑰～⑱)
再結晶を行うと不純物は液体(水)に溶けたままになります。
結晶を取り出すと、結晶の表面は不純物が含まれている水が付いたままに
なってしまいます。同時に、この状態で乾燥させると水だけは蒸発して
結晶の表面に不純物が残留したままになってしまいます。
そのため、不純物が付いた水を取り除くためにトイレ用洗剤(塩酸)と
水で表面を洗浄する必要があります。
太陽と室内の光では結晶の色が違うのは何故か？(操作 2.①、2.②)
最初に、私たちが見ている物に色がついて見える理由について
植物の葉っぱを例に説明します。葉っぱが緑色に見えているのは
様々な色が混ざった太陽の光(白色)の中で赤や青色の光を吸収し、
残った緑色の光を反射しているからです。
どの色の光が吸収されると何色に見えるかは補色を
使うことでわかります。葉っぱの例で考えると赤色の補色は水色、
青色の補色は黄色なので葉っぱは水色と黄色が混じった色である緑色に
見えることになります。
硫酸ネオジムアンモニウムにはオジムイオン(Nd³⁺)が含まれており、
Nd³⁺は570～590nm(黄緑色)の光を吸収する性質があります。
黄緑色の補色は紫色であるため太陽の光は赤紫色よりも
太陽の光の下で紫色に見えます(図1 左)。
一方で、室内の明かりでは青～緑色に見えます。太陽の光は様々な色の
光が混じりあっていますが、室内の明かりも様々な色が混じりあっていますが
特に青色や緑、黄色の光が強いです。そのため、室内の明かり(種類によります)
では黄緑色の光を吸収すると青色や緑色の光が残るため硫酸ネオジムアンモニウムの
結晶は青～緑色に見えます(図1 右)。
【補足5 結晶が茶色い】
もし、結晶の色が太陽の光の下でも室内の明かりの下でも結晶が
茶色っぽい場合は不純物としてFe³⁺が含まれていることになります。
茶色が酷い場合はトイレ用洗剤を加えて弱い酸性にした水で再結晶を
することで茶色を減らすことができます。ただし、再結晶を行うと
その分の時間と労力が必要になりますし、得られる結晶の量が
減ってしまうデメリットがあります。
身近な物で色が変わる結晶を作る(硫酸ネオジムアンモニウムの合成) 前編(Syntheses Neodymium Ammonium Sulfate at home Part 1 of 2)
イントロ
身近に手に入るものを使って色が変わる結晶(硫酸ネオジムアンモニウム
の結晶)の作り方とその作り方の原理について紹介します。
前編では実験のやり方を説明し、後編ではその解説をしていきます。
必要な物
・ネオジム磁石(直径約0.6mm,高さ約3mm) 2個…100円ショップで8個入りの物。
・トイレ用洗剤…成分に塩酸とあるもの。色が付いていないタイプを推奨。
・精製した硫酸アンモニウム…ホームセンターや通販で購入した硫酸アンモニウムを
・ガラス製の容器 3個…綺麗に洗ったジャムの空き瓶など
・金属用のやすり…100円ショップで購入できます。
・液体の体積が測れる道具…メスシリンダーなど。金属製の物は使用厳禁！
・ろう斗(ロート、じょうご)…100円ショップ等で購入できる。
できれば小さいサイズを推奨
・コーヒーフィルター…100円ショップで購入できます。
・プラスチック製のマドラーやスプーン…100円ショップなどで購入できます。
金属製の物は使用厳禁！
・天秤(0.1gまで測れるタイプ)…キッチングッズを販売している店で購入できます。
・ラップ
・輪ゴム
実験方法・やり方
※腐食性の液体を使うので金属製の物(装飾品など)に
触れないように作業してください！
1. 結晶を作る
① ネオジム磁石2個の丸い面を少し黒っぽくなるまで(図1の赤丸で囲ったぐらい)削る。
※自分の指を削らないように注意する事！
※時々、濡らしたティシュ等で拭くと見やすくなります。
図1 丸い面を削ったネオジム磁石(実験で使うのは2個です)
② 削ったネオジム磁石２個の丸くない面(図1参照)どうしをくっつける。
③ ②の状態を維持しながらガラス製容器に壁面によりかかった状態で入れる。
④ ネオジム磁石を入れたガラス容器にトイレ用洗剤19 mlを静かに注ぎ入れる。
⑤ ④のガラス容器にラップを静かに被せて、約1日静かに置いておく。
⑥ 穴の開いた磁石の外側だけが浮いているか確認する。
⑦ ろう斗とコーヒーフィルターの組み合わせで⑥の液をろ過する。
⑧ ろ過した液に精製した硫酸アンモニウム1.1gを少しずつ、かき混ぜながら加える。
硫酸アンモニウムを加え終えても沈殿ができない場合は追加で1.1g加える。
⑨ 硫酸アンモニウムを加え終えてから約5分間かき混ぜ続ける。
⑩ 生じた粉状の固体(以下、固体)が沈むまで静かに置いておく
⑪ 固体が沈み切ったことを確認したら、容器をゆっくりと傾けて液体だけを
別の液体に移しいれる。
⑫ 固体にトイレ用洗剤2.5mlを加えて軽く混ぜたら再度⑩～⑪を行う。
⑬ 固体に水25mlを少しずつ加えてかき混ぜる。
⑭ 容器にティッシュを被せて輪ゴムで固定する。
⑮ 1～1.5月置いておくと水が減って四角い結晶が出てくる。
⑯ 結晶を取り出す。純度的な意味で綺麗さを求め無いであれば⑲に進む。
⑰ トイレ用洗剤で結晶表面を素早く濯ぐ(結晶を沈めてすぐに取り出す)
⑱ 水で結晶表面を素早く濯ぐ(結晶を沈めてすぐに取り出す)
⑲ 室温で結晶を乾燥させる
2. 色の変化を確認する
① 作った結晶を太陽の光が当たっているところで観察する。
② 作った結晶を夜になってから(または太陽光が無いところ)で観察する。
※下の画像のように光によって色が変わって見えれば成功です。
後編に続く
