\documentstyle{j-article}
\begin{document}
\title{銅アンモニアレーヨン 裏マニュアル ver. 2.02}
\author{吉野 惇郎}
\maketitle
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\section{出発前の確認と作業}
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この節は資料です。各種手順を確認する際は次の２節だけを読んで下さい。
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\subsection{薬品類}
一回一テーブル当り以下の量が必要。

\begin{tabular}[htb]{lrl}
濃アンモニア水&9.16 mL&\\
硫酸銅(II)五水和物&1.00 g&(乳鉢ですりつぶして粉末にする)\\
濃硫酸&6.5 mL&\\
水酸化ナトリウム&0.35 g&\\
脱脂綿&0.25 g&\\
\end{tabular}
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\subsection{器具類}
テーブルごとに必要な器具は以下の通り。

\begin{tabular}[htb]{ll}
50 mLビーカー&$\times$ 3\\
100mLビーカー&$\times$ 1\\
撹拌棒&$\times$ 1\\
注射器シリンダー&$\times$ 1\\
注射器用針&$\times$ 1\\
ポリ手袋&$\times$ (生徒数 + 1)\\
ピンセット&$\times$ 1\\
薬匙&$\times$ 1\\
\end{tabular}

また、準備では以下が最低限必要。

\begin{tabular}[htb]{lll}
5mL駒込ピペットとゴム球&$\times$ 3&(conc.NH$_{3}$, 1\%NH$_{3}$, 8\%NaOHaq用)\\
100mLビーカー&$\times$ 2&(1\%アンモニア水, 8\%NaOHaq用)\\
300mLビーカー&(必要量の希硫酸が入る分だけ)&\\
50mL メスシリンダー&&\\
撹拌棒&&\\
氷水浴用容器&&\\
氷&&\\
\end{tabular}
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\section{準備}
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\subsection{準備の手順}
実験前に以下の準備をする。
\begin{enumerate}
\item 20\%希硫酸を必要量調製する。
\item 8\%水酸化ナトリウム水溶液を必要量調製する。
\item 1\%アンモニア水を必要量調製する。
\item 50mLビーカーにABCのラベルを付ける。
\end{enumerate}

演示前に以下の準備をする。
以下は一テーブル分の準備で、これを同時に演示するテーブル数分行う。
\begin{enumerate}
\item 8\%水酸化ナトリウム水溶液 4mLを"B"の50mLビーカーにとる。
\item 1\%アンモニア水 4mLを"C"の50mLビーカーにとる。
\item 20\%希硫酸 50mLを100mLビーカーにとる。
\item 脱脂綿 0.25gを量りとる。
\item 注射器シリンダーと針を一組用意する。
\item ピンセット一個用意する。
\item "A"の50mLビーカーを用意する。
\item 撹拌棒を用意する。
\item [これ以下は演示5分前に]
\item テトラアンミン銅(II)硫酸塩溶液を"A"の50mLビーカーに調製する。
\item [これ以下は演示直前に]
\item 上で用意したすべての物を演示テーブルに配る。
\item 演示テーブルに必要量のポリ手袋を配る。
\end{enumerate}
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\subsection{演示テーブルに配る物の確認}
\begin{enumerate}
\item 50mLビーカー "A" "B" "C" (試薬)
\item 100mLビーカー (希硫酸)
\item 撹拌棒
\item 脱脂綿
\item 注射器のシリンダーと針
\item ピンセット
\item ポリ手袋
\end{enumerate}
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\subsection{調製法}
\begin{description}
\item [20\%希硫酸]
100mLは、濃硫酸 13mL を水で希釈して定容として調製する。
一回一テーブル当り 50mL 必要。
\item [8\%水酸化ナトリウム水溶液]
10mLは、水酸化ナトリウム 0.87g を水に溶かして定容として調製する。
一回一テーブル当り 4mL 必要。
\item [1\%アンモニア水]
10mLは、濃アンモニア水 0.4mL を水で希釈して定容として調製する。
一回一テーブル当り 4mL 必要。
\item [テトラアンミン銅(II)硫酸塩溶液]
一回一テーブル分は、濃アンモニア水 9mLに硫酸銅(II)五水和物粉末 1.00gを
一回または数回に分けて加え撹拌棒でよく撹拌して溶かして調製する。
\end{description}
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\subsection{注意点と備考}
\begin{itemize}
\item 硫酸銅をアンモニア水にに溶かすときは、撹拌というよりはむしろ撹拌棒で
粉末をビーカーの底にこすりつけるようにするとよい。
\item 硫酸銅は、だいたい半量がアンモニア水に溶けていれば、
あとで水酸化ナトリウム水溶液を加えたときにすべて溶ける。
目安としては、溶液を通して未溶解の固体を見るとき、
固体と溶液とが見分けにくくなるくらい溶液の色が濃くなっていればよい。
\item 銅アンモニア溶液は調製に時間をかけたり、調製してから時間が経過したりすると
劣化して使い物にならなくなる。耐えうる時間の目安は15-30分間だが、
できるだけ使用直前に手早く調製する。
\end{itemize}
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\section{演示}
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\subsection{安全確認事項}
\begin{itemize}
\item 手袋着用。演示者、生徒とも。
\item 酸及び塩基を使用。はじめに生徒に注意を促すこと。
\item 万一皮膚や衣服に試薬がかかった時は、すぐに多量の水で洗うこと。
\item 生徒に操作させる時は常に注意を払うこと。
\end{itemize}
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\subsection{操作}
\begin{enumerate}
\item "A"試薬(銅アンモニア溶液)に、"B"試薬(水酸化ナトリウム水溶液)を加える。
\item 得られた溶液(シュバイツァー試薬)に脱脂綿を3-4回に分けて加え、
撹拌棒でよく撹拌して溶かし、均一な溶液にする。
\item 得られた溶液に(セルロース溶液)"C"試薬(アンモニア水)を加え、撹拌して全体を均一にする。
\item 得られた溶液を注射器のシリンダーにとり、針を付ける。
\item 注射器の針先を希硫酸の中に入れ、ゆっくり溶液を押し出すと青い糸が生成する。
\item しばらく待つと糸が脱色して白くなる。
\end{enumerate}
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\subsection{操作の注意点と備考}
\begin{itemize}
\item 銅アンモニア溶液に水酸化ナトリウム水溶液を加えるときは、撹拌はほとんど必要ない。
気休め程度に溶液中で撹拌棒を静かにゆっくり回すくらいにとどめる。
\item 銅アンモニア溶液、シュバイツァー試薬ともに濃青紫色。セルロースが溶けてくると濃紺色になってくる。
溶液の色から深みが消え、ただの青色になったら溶液が劣化していると考えられる。
\item 溶液が正常な間は、綿を溶液に加えてよくなじませると、どろっとした塊に変わる。
劣化してくるとどんなになじませても、どろっとすることはない。
\item セルロース溶液が均一になるよう気を付ける。濃度にむらがあると注射器や針で詰まる。
\item 注射器のピストンを押すときは、針を指で押さえながらすること。すっぽ抜けることがある。
\item 針が詰まっているのにそれ以上圧力を加えないこと。針がすっぽ抜けたり、溶液が顔にかかったりすることがある。
\item 糸の生成時、速く押し出すと糸が太くなり、またすぐに溶液が無くなってしまう。
\end{itemize}
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\subsection{演示の要点}
基本的に、この実験では生徒に現象を観察してもらい、また実際に操作してもらうことに
重点を置き、あまり説明をしないほうがよいと思われます。
\begin{itemize}
\item 綿が溶ける様子を生徒に見せると良い。
\item 話の向きは繊維の加工と変換といった方面にするのが良いと思われます。
\item この実験に関わる化学的なことがらはあまりしないほうが賢明かと思われます。
\item 糸の生成は生徒全員にさせる。
\item 生徒に操作をさせる前に話すことはすべて話す。
\item 生徒にさせるときは、スムーズに押し出せないときは押し出すのを止めるよう必ず注意する。
\item 演示中にシュバイツァー試薬が劣化して綿が溶けなくなってしまったら、
隣のテーブルからセルロース溶液をもらうなどして糸の生成はして下さい。
\end{itemize}

\subsection{演示例}
(これはあくまで検討段階の私用試案です。各自自身の演示を考えて下さい。)

「次は銅アンモニアレーヨンという繊維を造ります。
その前に注意ですが、机の上のビーカーの中には危険な薬品が入っているので、
これこれして下さい、と言うまではビーカーには触らないようにして下さい。
それから、後でみなさんにもやってもらうことがありますので、手袋を着けて下さい。」

手袋を着けさせる。

"A"を手にして「これは硫酸銅という薬品をアンモニア水に溶かしたものです。」
"B"も手にして「これは水酸化ナトリウムを水に溶かしたものです。」
混ぜて、「これらを混ぜるとシュバイツァー試薬という薬品ができます。
この薬品には不思議な性質があって、」
綿を入れて、半分位溶けてどろっとしたところを見せながら
「このように綿を溶かします。綿は水には溶けませんが、この薬品を使うと綿を溶かすことができます。」

残りの綿を入れて、かき混ぜながら、
「このようにして、


混ぜ終わって、"C"をもって、「綿が溶けたようなので、このアンモニア水を加えて薄めます。」
シリンダーに詰めて、「さて、これを希硫酸のなかに押し出してみましょう。」

押し出す。
「すると、固まって青い糸になりましたね。ここでしばらく待ちますと、」
待つ。
「白い糸になりました。これが銅アンモニアレーヨンです。
では、みなさんも銅アンモニアレーヨンの糸を造ってみて下さい。




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\section{原理と発展}
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シュバイツァー試薬中に存在するテトラアンミン銅(II)錯イオンがセルロース分子と反応して、
ピラノース環のC2位とC3位についているヒドロキシ基がアンミン配位子２つと交換して配位した
キレート化合物を生成し、これがコロイドとなることにより、セルロースが溶解する。
これを酸に加えると元のセルロースに戻り、析出再生する。

この溶解-再生のプロセスを経ることにより、繊維の構造がキュプラ独特のものになるため、
繊維の性質が元の綿とは異なったものになる。

シュバイツァー試薬はセルロースなら何でも溶かすので、
綿以外の物からでもこの実験はできる。
定性濾紙、ティッシュペーパー、トイレットペーパー、コピー用紙でできることを確認。
濾紙を用いるのが一番出来が良かった。新聞紙だと汚くなる。
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\section{後片付け}
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\subsection{演示後すぐにすること}
セルロース溶液の付いている物すべてを希硫酸廃液で洗い、セルロースをすべて再生させ、
これをできるだけ取り除いて水洗いし、水を切って燃えるゴミにする。

注射器の針は念入りに洗って詰まりを除いておく。

最後の演示後に余った8\%水酸化ナトリウム水溶液と1\%アンモニア水は希硫酸廃液に加える。
この際加えた体積を記録すること。
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\subsection{後日すること}
廃液をろ過し、残さは水洗いして水を切り、燃えるゴミにする。
濾液を中和し、廃液タンクに入れる。この際沈殿が生じないようにpHを調節すること。
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\subsection{注意点と備考}
\begin{itemize}
\item 廃液は銅を含むので、他の廃液の中和にはまわさないこと。
\item 余った8\%水酸化ナトリウム水溶液は、計算上 10mLが濃塩酸(12N) 1.8mLで中和できる。
\item 余った1\%アンモニア水は、計算上 10mLが濃塩酸(12N) 0.5mLで中和できる。
\item 希硫酸廃液は、余った塩基溶液を加えなかったとすると、一回一テーブル当り以下の物質を含み、約70mLで、
計算上は 3.6gの水酸化ナトリウムで中和できる。
\end{itemize}

\begin{tabular}[htb]{lr}
アンモニア&9.16 mL\\
硫酸銅(II)五水和物&1.00 g\\
硫酸&6.5 mL\\
水酸化ナトリウム&0.35 g\\
\end{tabular}
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\section{検討課題}
手早く。
分量の以上と時間のかけすぎ以外ではまず失敗しないはず。

脱脂綿を溶かす操作を生徒にさせたらどうかという意見と、
脱脂綿の代わりに紙でやってみたらどうかという意見があります。
あと、できたキュプラを素手で触らせてみるべきなんだろうか?
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\section{改訂履歴}
\begin{description}
\item [2.01 $\rightarrow$ 2.02] 細部に実際の事例を反映。原理の追加。
\item [2.00 $\rightarrow$ 2.01] 細部に実際の事例を反映。無駄な記述を削除。
\item [1.20 $\rightarrow$ 2.00] シュバイツァー試薬の最終調製を、準備時にではなく
演示時に行うよう変更。また、実験スケールも変更。%(1.10βと同スケールに戻した)
%\item [1.10β $\rightarrow$ 1.20] 実験スケールを80\%に縮小。
%\item [1.00β $\rightarrow$ 1.10β] 試薬使用量をほぼ確定。
\end{description}
\end{document}