JP3176558U - 化学発光学習教材 - Google Patents

Abstract

【課題】
化学発光に寄与する蛍光色素、シュウ酸エステル、過酸化水素、触媒の４成分を各々分けた溶液を備えることで、各前記４成分の有無や量を変えて使用することのできる化学発光学習教材を提供する。
【解決手段】
化学発光教材１は、蛍光色素溶液２１、シュウ酸エステル溶液２２、過酸化水素溶液２３、触媒溶液２４または不溶性固体触媒３を混合させる化学発光において、蛍光色素溶液１、シュウ酸エステル溶液２１、過酸化水素溶液２２、触媒溶液２３、及び／または不溶性固体触媒３を備えている。化学発光に寄与する前記４成分を各々分けた溶液を備えることで、各前記４成分の有無や量を変えて使用することのできるので、化学発光に寄与する成分がどのような役割を果たすのかを原理的に学ぶことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い教育効果を生み出し、容易に導入できる化学発光学習教材に関するものである。

高等学校の学習指導要領の改訂が数学及び理科について平成２４年度入学生から実施される。これに伴い平成２１年7月に文部科学省より発行されている「高等学校学習指導要領解説 理科編」の６５ページには化学発光に関する内容が例として取り上げられている。

化学発光は、視覚的に非常に強い印象を与え化学に対する関心を効果的に高めることから、一部の大学や高等学校で化学の授業の導入部や理科教室などの催しにおいて、ここ数年盛んに取り上げられるようになった。したがって、新指導要領下においても非常に高い教育効果が得られるものと考えられる。

しかし、その一方で化学発光に使用される試薬や溶液類の準備には相応の熟練と時間また費用が必要になるため、関心はあるものの導入にはなかなか踏み切れないという教育現場の声もある。

従来の化学発光学習教材としては非特許文献１に記載のされたものが知られている。

非特許文献１の化学発光学習教材は、蛍光液と酸化液が同梱されていることが記載されている。この化学発光学習教材は、試験管やビーカーに蛍光液と酸化液を混合させることで化学発光させている。

このような化学発光学習教材は簡便に化学発光のイメージを伝えることは出来る。

非特許文献１に記載される化学発光学習教材や広くコンサートなどで使用されるケミカルライト、また特許文献１〜３に記載される結婚式などの演出で使用される化学発光液における化学反応は、一般的に過シュウ酸エステル化学発光と呼ばれ、下記化学式（化１）の様に略述できる。

楽天市場 化学発光液 AQUA：学校教材ネットショップhttp://item.rakuten.co.jp/marutomi-kyouzai/kn111000-004/

特許第４０４８３７２号 特開２００６−１０４２６６号公報 特許第４６３４０５４号

化学式（化１）の化学発光における反応要素は、蛍光色素、シュウ酸エステル、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、触媒の４成分に大別される。しかし、非特許文献１に記載される化学発光学習教材においては、４成分がシュウ酸エステルと蛍光色素の混合溶液、過酸化水素と触媒の混合溶液の２液にまとめられ、２液の混合により化学式（化１）の反応が進行する為に４つの成分がどのように化学発光に寄与するのかを学ぶ為には不適切であった。

そこで本発明は、化学発光に寄与する前記４成分を各々分けた溶液を備えることで、各前記４成分の有無や量を変えて使用することのできる化学発光学習教材を提供することを目的とする。また、触媒は溶液に限らず溶媒に不溶性の固体であってもよく、触媒溶液と不溶性固体触媒を使い分けることができる化学発光学習教材を提供することを目的とする。

本発明の化学発光教材は、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液または不溶性固体触媒を混合させる化学発光において、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液、及び／または不溶性固体触媒を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、化学発光に寄与する前記４成分を各々分けた溶液を備えることで、各前記４成分の有無や量を変えて使用することのできるので、化学発光に寄与する成分がどのような役割を果たすのかを原理的に学ぶことができる。また、触媒は溶液に限らず溶媒に不溶性の固体であってもよく、触媒溶液と不溶性固体触媒を使い分けることで何れも化学発光における反応に寄与することを学ぶことができる。

本発明の実施の形態に係る化学発光学習教材を示す図である。

１ 化学発光学習教材
２１ 色素溶液用容器
２２ シュウ酸エステル溶液用容器
２３ 過酸化水素溶液用容器
２４ 触媒溶液用容器
２ａ 容器本体
２ｂ 蓋体
３ 不溶性固体触媒
４ 吸収シート
５ 透明ビニールシート

＜実施例１＞
本発明の実施の形態に係る化学発光学習教材を、図面に基づいて説明する。
図１に示す化学発光学習教材１は、学習用溶液を用いて化学発光を学習するためのものである。

この学習用溶液は、色素溶液用容器２１に色素溶液が貯留され、シュウ酸エステル溶液用容器２２にシュウ酸エステル溶液が貯留され、過酸化水素溶液用容器２３に過酸化水素溶液が貯留され、触媒溶液用容器２４に触媒溶液が貯留されている。化学発光学習教材１としては、学習溶液と学習溶液で汚れた箇所を拭き取るための吸着シート４と吸着シート４を廃棄するための透明ビニールシート５が添付されている。

色素溶液用容器２１とシュウ酸エステル溶液用容器２２と過酸化水素溶液用容器２３と触媒溶液用容器２４は同じ形状のものとすることができ、それぞれ有底の円筒状の容器本体２ａと、容器本体２ａの頭部に螺合する蓋体２ｂとから構成される。本実施の形態１では、色素溶液用容器２１とシュウ酸化合物溶液用容器２２と過酸化水素溶液用容器２３と触媒溶液用容器２４とにそれぞれ約１００ｍＬの溶液が学習用溶液として貯留されている。

ここで、学習用溶液及び不溶性固体触媒について、詳細に説明する。
この実習用溶液は、蛍光色素、シュウ酸エステル、過酸化水素、触媒の各溶液を使用する。図１の化学反応で蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液または不溶性固体触媒が混合した際に化学発光現象を生じるものである。

本発明で使用されるシュウ酸エステル（オキサレート）としては、シュウ酸ハライド、シュウ酸エステル、シュウ酸オキサミド等のシュウ酸誘導体が使用でき、代表的なオキサレートとしては、例えば、ビス（２，４，５−トリクロロ−６−カルボブトキシフェニル）オキサレート、ビス（２，４，５−トリクロロ−６−カルボペントキシフェニル）オキサレート等が挙げられる。

本発明で使用される蛍光色素としては、波長３００〜１２００ｎｍに発光を有し、且つ、溶媒に可溶な蛍光化合物であれば特に制限はない。これらの蛍光化合物としては、アントラセン、置換アントラセン、ベンゾアントラセン、フェナントレン、置換フェナントレン、ナフタセン、置換ナフタセン、ペンタセン、置換ペンタセン、ペリレン、置換ペリレン、ビオラントロン、置換ビオラントロンなどの縮合環を有する共役多環芳香族化合物が例示される。上記化合物の置換基としては、発光反応を妨げない限りにおいて特に制限はなく、フェニル基、低級アルキル基、クロロ基、ブロモ基、シアノ基、アルコキシ基、フェニルナフチル基などが例示される。

具体的な蛍光色素としては、２−クロロ-９，１０−ビス（４−メチルエチニル）アントラセン、９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、１−メトキシ−９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、ペリレン、１，５−ジクロロ−９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、１，８−ジクロロ−９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、モノクロロおよびジクロロ置換９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、５，１２−ビス（フェニルエチニル）テトラセン、９，１０−ジフェニルアントラセン、１６，１７−ジヘキシルオキシビオラントロン、２−メチル−９，１０−ビス−（フェニルエチニル）アントラセン、９，１０−ビス−（４−メトキシフェニル）−２−クロロアントラセン、９，１０−ビス−（４−エトキシフェニル）−２−クロロアントラセン、５，１２−ビス−（フェニルエチニル）ナフタセン、５，６，１１，１２−テトラフェニルナフタセン（ルブレン）およびこれらの混合物が例示される。

これらの蛍光色素の製品としては、例えば、ルモゲン・レッド（ＬＵＭＯＧＥＮ ＲＥＤ、赤色を発するペリレンジカルボキシイミド蛍光剤、ＢＡＳＦ社、商品名）、ルモゲン・イエロー（ＬＵＭＯＧＥＮ ＹＥＬＬＯＷ、黄色を発するペリレンジカルボキシイミド蛍光剤、ＢＡＳＦ社、商品名）、ルモゲン・オレンジ（ＬＵＭＯＧＥＮ ＯＲＡＮＧＥ、オレンジ色を発するペリレンジカルボキシイミド蛍光剤、ＢＡＳＦ社、商品名）が好適に使用される。

触媒としては、例えば、サリチル酸リチウム、５−ｔ−ブチルサリチル酸リチウム、サリチル酸ナトリウム、サリチル酸テトラアルキルアンモニウム塩、２−クロロ安息香酸リチウム、酢酸ルビジウム等のサリチル酸およびその誘導体、安息香酸およびその誘導体または酢酸の金属塩またはアンモニウム塩などが挙げられる。

本発明の蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、触媒溶液において、溶媒としては、
クエン酸トリエチル、アセチルクエン酸トリブチル、安息香酸ベンジル、安息香酸ブチル、トリメリット酸トリメチル、トリメリット酸トリプロピル、トリメリット酸トリ−ｎ−ブチル、トリメリット酸トリス（２−エチルヘキシル）、アジピン酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、アジピン酸ジイソプロピル、アジピン酸ジイソブチル、アジピン酸ジイソノニル、セバシン酸ジエチル、セバシン酸ジブチル、アゼライン酸ビス（２−エチルヘキシル）、３-メトキシ-３-メチルブタノール、ヘキシレングリコール、プロピレングリコール、ブチロラクトン、トリエチレングリコール、トリアセチン、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジブチルヒドロキシトルエン、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコール等が単独であるいは混合して使用される。

なお、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液の各溶液には、必要に応じ界面活性剤等の添加剤を本発明の本質を損なわない範囲で加えることができる。

本実施の形態１では、学習用溶液の発光色素溶液容器２１を一つとしているが、二つ以上の蛍光色素溶液容器を用いて数種類の発光色素溶液を備えることができる。

本発明で使用される不溶性固体触媒としては、有機溶媒に不溶な触媒作用を持つ固体であればよく、ガラス繊維、金属酸化物（ＣａＯ、Ａｇ２Ｏなど）、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース・ナトリウム、カルボキシメチルセルロース・アンモニウム、アルギン酸などのカルボン酸を有するポリマー、及び前記不溶性固体触媒を織り込んだ布あるいは紙、または前記前記不溶性固体触媒を担持した材料などが挙げられる。

本実施の形態１では、化学発光学習教材１として触媒溶液用容器２４と不溶性固体触媒３を共に備えているが、どちらか一方のみを備えていてもよい。

化学発光教材１には、色素溶液用容器２１、シュウ酸エステル溶液用容器２２、過酸化水素溶液用容器２３、触媒溶液用容器２４、不溶性固体触媒３の他に、学習中にテーブル等が汚れた場合拭き取るための掃除用具として吸収シート４及び吸収シート４を包んで密閉するために透明ビニールシート５が添付されている。

本発明は、中学校や高等学校の理科教育、大学における化学実験などにおいて教育効果を発揮させることができ、好適である。

本発明は、高い教育効果を生み出し、容易に導入できる化学発光学習教材に関するものである。

高等学校の学習指導要領の改訂が数学及び理科について平成２４年度入学生から実施される。これに伴い平成２１年7月に文部科学省より発行されている「高等学校学習指導要領解説 理科編」の６５ページには化学発光に関する内容が例として取り上げられている。

化学発光は、視覚的に非常に強い印象を与え化学に対する関心を効果的に高めることから、一部の大学や高等学校で化学の授業の導入部や理科教室などの催しにおいて、ここ数年盛んに取り上げられるようになった。したがって、新指導要領下においても非常に高い教育効果が得られるものと考えられる。

しかし、その一方で化学発光に使用される試薬や溶液類の準備には相応の熟練と時間また費用が必要になるため、関心はあるものの導入にはなかなか踏み切れないという教育現場の声もある。

従来の化学発光学習教材としては非特許文献１に記載のされたものが知られている。

非特許文献１の化学発光学習教材は、蛍光液と酸化液が同梱されていることが記載されている。この化学発光学習教材は、試験管やビーカーに蛍光液と酸化液を混合させることで化学発光させている。

このような化学発光学習教材は簡便に化学発光のイメージを伝えることは出来る。

非特許文献１に記載される化学発光学習教材や広くコンサートなどで使用されるケミカルライト、また特許文献１〜３に記載される結婚式などの演出で使用される化学発光液における化学反応は、一般的に過シュウ酸エステル化学発光と呼ばれ、下記化学式（化１）の様に略述できる。

楽天市場 化学発光液 AQUA：学校教材ネットショップhttp://item.rakuten.co.jp/marutomi-kyouzai/kn111000-004/

特許第４０４８３７２号 特開２００６−１０４２６６号公報 特許第４６３４０５４号

化学式（化１）の化学発光における反応要素は、蛍光色素、シュウ酸エステル、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、触媒の４成分に大別される。しかし、非特許文献１に記載される化学発光学習教材においては、４成分がシュウ酸エステルと蛍光色素の混合溶液、過酸化水素と触媒の混合溶液の２液にまとめられ、２液の混合により化学式（化１）の反応が進行する為に４つの成分がどのように化学発光に寄与するのかを学ぶ為には不適切であった。

そこで本発明は、化学発光に寄与する前記４成分の溶液を各々貯留した容器を備えることで、各前記４成分の溶液の有無や量を変えて使用することのできる化学発光学習教材を提供することを目的とする。また、触媒は溶液に限らず溶媒に不溶性の固体であってもよく、触媒溶液を貯留した容器と不溶性固体触媒を有する被発光体を使い分けることができる化学発光学習教材を提供することも目的とする。

本発明の化学発光教材は、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液または不溶性固体触媒を混合あるいは接触させる化学発光において、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液を各々貯留した容器と触媒溶液を貯留した容器及び／または不溶性固体触媒を有する被発光体を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、化学発光に寄与する前記４成分の溶液を各々貯留した容器を備えることで、各前記４成分の溶液の有無や量を変えて使用することのできるので、化学発光に寄与する成分がどのような役割を果たすのかを原理的に学ぶことができる。また、触媒は溶液に限らず溶媒に不溶性の固体であってもよく、触媒溶液を貯留した容器と不溶性固体触媒を有する被発光体を使い分けることで何れも化学発光における反応に寄与することを学ぶことができる。

本発明の実施の形態に係る化学発光学習教材を示す図である。

１ 化学発光学習教材
２１ 色素溶液用容器
２２ シュウ酸エステル溶液用容器
２３ 過酸化水素溶液用容器
２４ 触媒溶液用容器
２ａ 容器本体
２ｂ 蓋体
３ 不溶性固体触媒を有する被発光体
４ 吸収シート
５ 透明ビニールシート

＜実施例１＞
本発明の実施の形態に係る化学発光学習教材を図面に基づいて説明する。
図１に示す化学発光学習教材１は、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液を各々貯留した容器と触媒溶液を貯留した容器及び／または不溶性固体触媒を有する被発光体を混合あるいは接触させる化学発光を学習するためのものである。

この化学発光学習教材１は、色素溶液用容器２１に色素溶液が貯留され、シュウ酸エステル溶液用容器２２にシュウ酸エステル溶液が貯留され、過酸化水素溶液用容器２３に過酸化水素溶液が貯留され、触媒溶液用容器２４に触媒溶液が貯留され、不溶性固体触媒を有する被発光体３を備えている。また、化学発光学習教材１には、学習溶液と学習溶液で汚れた箇所を拭き取るための吸着シート４と吸着シート４を廃棄するための透明ビニールシート５が添付されている。

色素溶液用容器２１とシュウ酸エステル溶液用容器２２と過酸化水素溶液用容器２３と触媒溶液用容器２４は同じ形状のものとすることができ、それぞれ有底の円筒状の容器本体２ａと、容器本体２ａの頭部に螺合する蓋体２ｂとから構成される。本実施の形態１では、色素溶液用容器２１とシュウ酸化合物溶液用容器２２と過酸化水素溶液用容器２３と触媒溶液用容器２４とにそれぞれ約１００ｍＬの溶液が貯留されている。

ここで、蛍光色素、シュウ酸エステル、過酸化水素、触媒の各溶液及び不溶性固体触媒について、詳細に説明する。

本発明で使用されるシュウ酸エステル（オキサレート）としては、シュウ酸ハライド、シュウ酸エステル、シュウ酸オキサミド等のシュウ酸誘導体が使用でき、代表的なオキサレートとしては、例えば、ビス（２，４，５−トリクロロ−６−カルボブトキシフェニル）オキサレート、ビス（２，４，５−トリクロロ−６−カルボペントキシフェニル）オキサレート等が挙げられる。

本発明で使用される蛍光色素としては、波長３００〜１２００ｎｍに発光を有し、且つ、溶媒に可溶な蛍光化合物であれば特に制限はない。これらの蛍光化合物としては、アントラセン、置換アントラセン、ベンゾアントラセン、フェナントレン、置換フェナントレン、ナフタセン、置換ナフタセン、ペンタセン、置換ペンタセン、ペリレン、置換ペリレン、ビオラントロン、置換ビオラントロンなどの縮合環を有する共役多環芳香族化合物が例示される。上記化合物の置換基としては、発光反応を妨げない限りにおいて特に制限はなく、フェニル基、低級アルキル基、クロロ基、ブロモ基、シアノ基、アルコキシ基、フェニルナフチル基などが例示される。

具体的な蛍光色素としては、２−クロロ-９，１０−ビス（４−メチルエチニル）アントラセン、９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、１−メトキシ−９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、ペリレン、１，５−ジクロロ−９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、１，８−ジクロロ−９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、モノクロロおよびジクロロ置換９，１０−ビス（フェニルエチニル）アントラセン、５，１２−ビス（フェニルエチニル）テトラセン、９，１０−ジフェニルアントラセン、１６，１７−ジヘキシルオキシビオラントロン、２−メチル−９，１０−ビス−（フェニルエチニル）アントラセン、９，１０−ビス−（４−メトキシフェニル）−２−クロロアントラセン、９，１０−ビス−（４−エトキシフェニル）−２−クロロアントラセン、５，１２−ビス−（フェニルエチニル）ナフタセン、５，６，１１，１２−テトラフェニルナフタセン（ルブレン）およびこれらの混合物が例示される。

これらの蛍光色素の製品としては、例えば、ルモゲン・レッド（ＬＵＭＯＧＥＮ ＲＥＤ、赤色を発するペリレンジカルボキシイミド蛍光剤、ＢＡＳＦ社、商品名）、ルモゲン・イエロー（ＬＵＭＯＧＥＮ ＹＥＬＬＯＷ、黄色を発するペリレンジカルボキシイミド蛍光剤、ＢＡＳＦ社、商品名）、ルモゲン・オレンジ（ＬＵＭＯＧＥＮ ＯＲＡＮＧＥ、オレンジ色を発するペリレンジカルボキシイミド蛍光剤、ＢＡＳＦ社、商品名）が好適に使用される。

触媒としては、例えば、サリチル酸リチウム、５−ｔ−ブチルサリチル酸リチウム、サリチル酸ナトリウム、サリチル酸テトラアルキルアンモニウム塩、２−クロロ安息香酸リチウム、酢酸ルビジウム等のサリチル酸およびその誘導体、安息香酸およびその誘導体または酢酸の金属塩またはアンモニウム塩などが挙げられる。

本発明の蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、触媒溶液において、溶媒としては、クエン酸トリエチル、アセチルクエン酸トリブチル、安息香酸ベンジル、安息香酸ブチル、トリメリット酸トリメチル、トリメリット酸トリプロピル、トリメリット酸トリ−ｎ−ブチル、トリメリット酸トリス（２−エチルヘキシル）、アジピン酸ジメチル、アジピン酸ジエチル、アジピン酸ジイソプロピル、アジピン酸ジイソブチル、アジピン酸ジイソノニル、セバシン酸ジエチル、セバシン酸ジブチル、アゼライン酸ビス（２−エチルヘキシル）、３-メトキシ-３-メチルブタノール、ヘキシレングリコール、プロピレングリコー
ル、ブチロラクトン、トリエチレングリコール、トリアセチン、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジブチルヒドロキシトルエン、ポリエチレングリコール及びポリプロピレングリコール等が単独であるいは混合して使用される。

なお、蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液の各溶液には、必要に応じ界面活性剤等の添加剤を本発明の本質を損なわない範囲で加えることができる。

本実施の形態１では、学習用溶液の発光色素溶液容器２１を一つとしているが、二つ以上の蛍光色素溶液容器を備えることもできる。

本発明で使用される不溶性固体触媒としては、有機溶媒に不溶な触媒作用を持つ固体であればよく、ガラス繊維、金属酸化物（ＣａＯ、Ａｇ２Ｏなど）、ポリアクリル酸、カルボキシメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース・ナトリウム、カルボキシメチルセルロース・アンモニウム、アルギン酸などのカルボン酸を有するポリマー、及び前記不溶性固体触媒を織り込んだ布あるいは紙、または前記不溶性固体触媒を担持した材料などが挙げられる。

本実施の形態１では、化学発光学習教材１として触媒溶液用容器２４と不溶性固体触媒を有する被発光体３を共に備えているが、どちらか一方のみを備えていてもよい。

化学発光教材１には、色素溶液用容器２１、シュウ酸エステル溶液用容器２２、過酸化水素溶液用容器２３、触媒溶液用容器２４、不溶性固体触媒３の他に、学習中にテーブル等が汚れた場合拭き取るための掃除用具として吸収シート４及び吸収シート４を包んで密閉するために透明ビニールシート５が添付されているが、必ずしも備えておかなくてもよい。

本発明は、中学校や高等学校の理科教育、大学における化学実験などにおいて教育効果を発揮させることができ、好適である。

Claims (2)

1. 容器に貯留された学習用溶液を試験管等の容器で混合させて化学発光を学習するための化学発光学習教材であって、
   前記学習用溶液は、混合することで化学発光する蛍光色素溶液、シュウ酸エステル溶液、過酸化水素溶液、触媒溶液、及び／または不溶性固体触媒を備えたことを特徴とする化学発光学習教材。
2. 前記学習用溶液は前記蛍光色素溶液、前記シュウ酸エステル溶液、前記過酸化水素溶液、前記触媒溶液が成分毎に容器に貯留され、貯留した４以上の容器であることを特徴とした請求項１記載の化学発光学習教材。