市岡元気先生のおすすめ実験1「火山大噴火」-自由研究スペシャル

 海底火山から
き出るマグマのような噴火現象をつくり出そう! 赤く色をつけた水に油を注ぎ、発泡剤
はっぽうざい
を投入すると、底から赤い球体がブクブクと湧き上がるぞ。インパクト抜群の“火山大噴火”を観察して、液体が持つ性質を知ろう。

★わかること:液体の重さ表面張力

用意するもの

材料(家で試しやすい分量)

●水(40℃程度に温めた湯)……50mL
●食紅……適量
●サラダ油(菜種油)……100mL
●発泡剤(入れ歯洗浄剤や入浴剤など、炭酸水素ナトリウムを含むもの)……1個

道具

●ガラスの容器(コップなど、容量200mL程度)

※元気先生が三角フラスコで紹介している実験は、水500mL、サラダ油2.5Lを使った大規模なもの。家庭で手軽に行うには一般的なガラスのコップでOKだ。
※サラダ油は、揚げ物などに使った後の廃油を冷ましたものでもOK。

実験手順

①ガラスの容器に水(40℃程度に温めた湯)を注ぎ、食紅を溶かして赤く着色する。
②サラダ油を注ぐ。このとき、液体が2層(下の層が赤い水、上の層が油)に分かれる。
③発泡剤を投入すると、下層の水がブクブクと湧き上がりだす。
※使った油は、新聞紙などに染み込ませて捨てる。

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《解説》火山大噴火の秘密

なぜ水と油は混ざらない?

 水にサラダ油を注いだら、水と油の層に分かれたね。このとき、水が下側に溜まったのは、油よりも水の方が重いからなんだ(図1)。

図1 水と油の層
油に比べて水の方が重いので、水が下に沈む。

 水に何かを入れたときに、水よりも軽いものは浮き、重いものは沈む性質がある。では、なぜ水と油は混ざらずに、境目がはっきりと分かれたのだろうか? この現象のカギを握るのは「表面張力」という力だ。表面張力とは「できるかぎりまとまって、表面の面積を小さくしよう」として働く力のこと(図2)。

図2 表面張力
表面張力は、液体の分子同士が引き合うことで生まれる。液体表面の分子は、内側と表面方向に引っ張られ、全体が縮まるように力が働く。重力など他に働く力が小さければ、液体は表面張力によって球状になる。

 違う種類の液体同士が接するとき、表面張力はバリアのようにも働く。サラダ油の表面張力は水の半分くらいで、水のバリアを
やぶ
って混ざり合うことができず、水と油の境目がはっきりと分かれるんだ。

 ここに発泡剤を入れると水の層まで沈み、二酸化炭素の泡を発生させる。二酸化炭素は水や油よりずっと軽いから、油の層まで水を持ち上げる。二酸化炭素の泡が抜けると水はまた沈む、ということを繰り返して“大噴火”が起きるんだ(図3)。

図3 大噴火が起きるしくみ
❶発泡剤から出た二酸化炭素の泡が、赤く着色した水を持ち上げる。
❷油の中で水の表面張力が働き、球状の塊になる。
❸二酸化炭素が抜けると、水の塊は重いので沈んでいく。

試してみよう

条件を変えてみて、現象がどのように変化するか調べてみよう。

●水の温度を変えてみる。

●発泡剤を入れる量を変えてみる。

取材協力

市岡元気 著者の記事一覧

サイエンスアーティスト。東京学芸大学卒業。でんじろうプロダクションにて米村でんじろう先生のスタッフとして活動し、2019 年に独立。サイエンスショーなどに出演するほか、科学教育系動画クリエイターとしてYouTube で科学実験動画を紹介している。
GENKI LABO

(撮影/佐藤克秋)

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