指導案：高校化学

本時の目的：無機化学・典型元素の第15族の窒素についての知識の習得
　　　　　　身近な話題を出し、単なる丸暗記ではなく,理解を深める。（杉浦コメント：これがよくできている）

指導過程：

「では授業を始めます。典型元素の章もだいぶ進んできましたね。今回は窒素についてです。では窒素は第何族ですか??はい○○さん」<生徒の答え>15族

杉浦コメント：ちょっと授業のはじまりが唐突すぎる。もう少し、授業がはじまるのだということを示す言葉かけや働きかけが必要。教科書を開けるなどといった指示もして。

「そうですね〜この2つは15族に属します。では周期表を見て下さい。まず,15族と言ったら価電子5つ（杉浦コメント：プチ復習があるといい）。で,窒素は非金属ですね。と言う事はイオンにならない。つまり…基本的には共有結合をする（杉浦コメント：プチ復習があるといい）ということです。さてさて,ではまず単体から。窒素について,ここに使われている〜とか,何か知っていることを挙げてください」(数人に当てる)

杉浦コメント：ちょっとあいまいな発問。とどこおったら「一人つっこみ」にしてしまおう。

<予想される生徒の答え>　液体窒素／空気中に多い／思いつかない

「前回の炭素の時に聞いた時より少ないですね…。[板書�@]窒素単体の性質は,無色・無臭の化学的に安定した気体です。…確かに特徴もなさそうですね。」

[板書�@]N２：無色・無臭　空気約78％　　化学的に安定

　「しかし,安定だからこそ利用できる事もあるのです。例えば,スナック菓子には『不活性ガス充填』って書いてあるやつあるよね？見たこと無かったら,また家やスーパー等で確認してみてね。で,このガスの正体が窒素なのです。ポテトチップス等,油を使用しているものは,酸素に触れると酸化してしまいます。そこで,常温では反応しにくい窒素を詰めることにより,新鮮さを保つのです。全く反応しない希ガスを使用してもいいのですが, 板書にも書いたように,窒素は空気中で1番多い気体です。ありふれたものを使う方が低コストですね。(間)化学をやってない人だと,『不活性ガスとか何か怖そうなガス詰まってんのや…』とか思ってしまう人もいるかもしれないですが…単なる窒素です。ということで,皆さんは怖がらないで下さいね。」
　杉浦コメント：ここがこの指導案のいいところ

「では続いて化合物へ。窒素の化合物でまず有名なのは…アンモニアがありますね。中学の時や,高校でもちょくちょくでてきてますが…性質など、いくつ覚えているか思い出しながらノートをとって下さいね」[板書�A]

[板書�A]　アンモニア：ＮＨ_^３
　　　　　　　　　　　無色　刺激臭の気体　
極性分子

「極性分子ということは…同じ極性のあるものにとけやすい。そう、アンモニアは水によく溶けます。そして,弱塩基性を示します。中学の時に,フェノールフタレインを使ってピンクに変化したのとか覚えていないかな？」[板書�B]

[板書�B] ＮＨ_３　　＋Ｈ_２Ｏ　→　ＮＨ_４^＋　＋　ＯＨ⁻

｢次に,製法に移ります。まず実験室的製法は,塩化アンモニウムに水酸化カルシウムを混ぜ,加熱するというものです。[板書�C]では係数と生成物を考えて,式を完成させて下さい。(間)弱塩基の塩に強塩基のものを加えると…弱塩基,つまりこの場合はアンモニアの遊離が起こるという現象でしたね。弱いのび太君はジャイアンには勝てずに追い出されてしまうというような感じです。(間)さて、式の検討はついたかな？｣

[板書�C]　　ＮＨ_４Ｃｌ　＋　　Ｃａ(ＯＨ)_２　→
↓(ヒント後)
　　　　ＮＨ_４Ｃｌ　＋　　Ｃａ(ＯＨ)_２　→　ＣａＣｌ_２　＋　Ｈ_２Ｏ　　＋　ＮＨ_３


「(少し待ってから)じゃ〜誰に書きに来てもらおうかな~(間)という意地悪な事は今回はやめて,これが正解です。あってたかな？」

{板書�C´}　２ＮＨ_４Ｃｌ　＋Ｃａ(ＯＨ)_２　→　ＣａＣｌ_２　＋２Ｈ_２Ｏ　　＋２ＮＨ_３

｢アンモニアの捕集方法ですが,さっき説明したように、アンモニアは水に溶けやすかったですね。そして,アンモニアの分子量は１７,空気の分子量は約２９。ということで…そう、上方置換法を用います。アンモニアの検出方法は、農塩酸を近づけると白煙を生じます。写真が資料集にあるので、資料集××ページを見てみてください。反応式はこのようになっています。｣[板書�D]

[板書�D]　 ＮＨ_３　＋　HCI　→　ＮＨ_４Ｃｌ

｢次に,工業的製法ですが、ハーバー・ボッシュ法と言って、窒素に直接水素を付加させる方法です。[板書�E]　窒素は安定な物質なので、触媒を用い、高温・高圧化で反応させます。ハーバーさんとボッシュさんが考えたので、このような名前です。もしも私が考え付いたら、田中法でしたね。｣

[板書�E]　Ｎ_２　＋　３Ｈ_２　　２ＮＨ_３　(触媒：Ｆｅ_３Ｏ_４)

「続いて硝酸の話に移ります。[板書�F]硝酸は光などで分解し、ＮＯ２を発生させたりするので、褐色ビンに保存します。あと、強酸性なので、銅・銀もとかします。[板書�G]希硝酸と濃硝酸では発生する気体が違います。希硝酸は一酸化窒素、濃硝酸からは二酸化窒素が発生します。生成物が異なると、係数もかなり異なってくるので、よく見比べてみてね」

[板書�F]　硝酸：ＨＮＯ_３
　　　　　無色の液体　強酸性　強酸化剤　光・熱により分解
※ 濃硝酸は、Ａｌ・Ｎｉ・Ｆｅとは反応しない(不導体の形成)

[板書�G]　ｅｘ）銅との反応
　　　　　(希)　３Ｃｕ　＋　８ＨＮＯ_３　→３Ｃｕ(ＮＯ_３)_２　＋４Ｈ_２Ｏ　＋　２ＮＯ
　　　　　(濃)　　Ｃｕ　＋　４ＨＮＯ_３　→　Ｃｕ(ＮＯ_３)_２　＋２Ｈ_２Ｏ　＋　２ＮＯ_２

「ちなみに、これは間違いです[板書�H]なぜだかわかるかな？(間)イオン化傾向を思い出してください。忘れた人はノートを見返して。銅と水素では水素の方がイオンになりやすい。のに、この反応式では銅がイオンになって、水素が単体となって発生しているね。左右の係数を比較した分にはあっている式だけど、性質上はありえないんだ。注意してね。」

[板書�H]　Ｃｕ　＋　２ＨＮＯ_３　→　Ｃｕ(ＮＯ_３)_２　＋　Ｈ_２

「次に製法を。工業的製法ではオストワルト法というものがあります。[板書�I]一酸化窒素を作って、それを酸化して二酸化窒素を作り、水に溶かして硝酸を作ると言うものです。」

[板書�I]　　�@　４ＮＨ_３　＋５Ｏ_２　→　４ＮＯ　＋　６Ｈ_２Ｏ　(Ｐｔ触媒)
　　　　　　�A　２ＮＯ　＋　Ｏ_２　→　２ＮＯ_２
�B　３ＮＯ_２　＋　Ｈ_２Ｏ　→　２ＨＮＯ_３　＋　ＮＯ
(式をまとめると) ＮＨ_３　＋５Ｏ_２　→　２ＨＮＯ_３　＋　Ｈ_２Ｏ

｢さて、このように作られる硝酸、またこのように発生している一酸化窒素など…これが、私たちの日常でも起こっているのです！！強力な酸化剤が日常に！！怖いですよね…一体、どうして起こってると思う？(間)[板書�J]｣

[板書�J]　N_２　＋　O_２　→　２NO　−　１８０ＫＪ
「さて、１つの化学反応式を書きました。窒素は、しつこいようですがとても安定なので、ちょっとやそっとじゃ反応しません。さぁ、どこで起こっていると思う？ヒントは、とても高温な状態で起こっています。あ、ドライヤーの熱とかでは起こらないから安心してね。」(数人に当てる)

<予想される生徒の答え>ゴミ焼却炉／エンジン／何かの爆発／思いつかない

｢そう,自動車のエンジンでおこるのです。燃料が燃焼爆発する際には,なんと!!(間)瞬時に約2000℃,７〜８×10５haとなるのです。さすがに普段は冷静な窒素も,これほどまで暑くて高圧だと安定なままではいられないということで。(間)しかも, N２とO２に戻る間もなくNOのまま多量に放出され,酸化してＮＯ２、更に雨水に溶けてHNO３となります[板書�K]」

[板書�K]　２ＮＯ　＋　Ｏ_２　→　２ＮＯ_２
　　　　　　　３ＮＯ_２　＋　Ｈ_２Ｏ　→　２ＨＮＯ_３　＋　NO

「さぁ、さっきのオストワルト法の式と見比べてみて。もう、同じ事がおこっているでしょ？！この２つの反応は容易に起こるので、一酸化窒素さえ発生してしまったら硝酸は発生してしまうといっても過言ではありません。そして、こうして発生した硝酸こそが酸性雨の原因になるのです。また、一酸化窒素や二酸化窒素のような窒素酸化物も、化学スモッグのような、大気汚染物質の原因になるのです。じゃあ、そんな悪い物質の元になる窒素は不要なものか？といったら、そうではないです。窒素は肥料の３大要素であるし、人間の必須栄養素・タンパク質の構成元素でもあります。今日学んで、色んな事がわかりましたね。化学の分子自体は目に見えないし、考えにくかったりするけど、とても日常と大きく関わってきます。更に１歩進んで、では化学の知識を駆使して、いかに生物がすみよい状態にしていけるか…と考えていけたらなおいいですね。(間)では、次回は同じ１５族、リンについてを学びます。と言う事で、次はリンという物質が日常のどこで利用されているか等、考えてきて見て下さいね。今日はこれで終わります。」

杉浦コメント：化学式の説明自体は不十分なところがありベストではありませんが、化学式の説明に終始する面白くない指導案が多い中で、無味乾燥な化学を日常と関連付けて生徒と近いものにしているという点で非常に優れています。もちろん、化学式を分からせることは必要栄養素であり、もっと改善が必要です。化学式の説明、学ぶことの意味どちらも両立してできてはじめてよい授業と言えると思います。