教室化学実験01「乙女心とアントシアニン」
- １年生を対象とした大学基礎演習では「実験レポートの書き方」を教えるために簡単な実験を毎年行っています。教室で行うため、特別な試薬は使わずに身近な食べ物や台所用品を使った実験を設計しています。今年はアントシアニン色素の実験を行いました（行ったのは2013年5月。公開するのを忘れていました）。
- ●目的
身近な物を利用してアントシアニンの色の変化とpHの関係を明らかにする。
- ●実験の背景
大学へ行く途中の道路の横にはツツジが奇麗に咲いています。アジサイも咲き始めました。紅葉はまだですが、これらのカラフルな色はアントシアニンによるものです。
花や果実の色素には、カロチノイド、フラボノイド、アントシアン という３つのグループがあります。そのうちのフラボノイドとアントシアンは水に溶けやすく、溶液の酸性度によって様々な色調を示すため、酸や塩基の指示薬としても利用できます。今回の主役はこのアントシアンです。
アントシアンは、基本骨格のアントシアニジンとそれに糖が結合したアントシアニンの２種類からなり、実際に植物の中に存在しているのはアントシアニンの方です。これらはベンゼン環にOH基がたくさん結合しているので、ポリフェノールの仲間でもあります。このOH基が増えたり減ったり、OCH3（メトキシ）基になったりして茄子のナスニンや、ブドウのオエニン、ツツジのマルビンという様々なアントシアニンになります。例えば梅の果実にしその葉を入れて漬けると鮮やかな赤色を呈するのは、しそに含まれているアントシアニン（シソニン）が梅のクエン酸によって発色するからです。
紅葉もアントシアニンが関与しています。葉っぱには緑のクロロフィルと黄色のカロチノイドが共存しており、クロロフィルの方が圧倒的に多いため緑色に見えます。それが秋になり気温が低下してくると、光合成をやめたクロロフィルが徐々に分解されていき、元々存在していたカロチノイドが目立って黄色く色づいていきます。それがイチョウやポプラなどの黄葉(こうよう)です。一方、葉に蓄積された糖類から赤いアントシアニンを新しく合成するものもあり、それらは秋が深まるにつれてさらに赤く色づいていきます。それがカエデやサクラです。
今回の実験ではワインやジュースをアントシアニン溶液として利用します。スーパーのお酒コーナーでは「ポリフェノールたっぷり♡」みたいな宣伝文句のワインをよく見かけますが、このポリフェノールの中にアントシアニンが含まれています。無果汁のジュースでも着色料にアントシアニンが使用されているものもあります。今回は赤ワイン、ブドウジュース、クランベリージュース、ブルーベリージュース、紫野菜ジュースをいろいろ準備しました。
酸・塩基は身近で簡単に入手可能な胃液や血、おしっこや涙を利用しようと思いましたが、学生が嫌だと言うので仕方なく家庭で使用する食品添加物や洗剤をそろえました。
- ●実験方法
(1) 器具・試料
▶使用器具
透明ボトル(250mL)，透明カップ(100mL)、pH試験紙。
▶アントシアニン溶液
ワイン、ブドウジュース、野菜ジュースなど。
▶酸・塩基試薬
クエン酸(食品添加物)、重曹(食品添加物)、炭酸飲料、虫さされ薬、漂白剤など。
(2) 操作手順
1. アントシアニン溶液の中から好きなものを一つ選び、8倍希釈溶液を250mLボトルに作る。
2. 希釈したアントシアニン溶液をカップに約20mLとる（調べたい酸・塩基の数と比較用にもう１つ）。
3. それぞれの酸・塩基試薬を少しずつ加えていき色の変化を観察する。（比較用カップには水だけを加える）
4. pH試験紙でそれぞれのカップのpHを調べて、pHの順番に並べる。
- ●実験担当者向けのメモ
-今回の担当クラスは２０名クラスと６０名クラスだったので、１０グループ分の道具を揃えました。
〜〜〜 道具 〜〜〜
ディスポクリアカップ 100mL １００個（ １５００円）
クリアボトル 250mL １０個（ １０００円）
pH試験紙(スティックタイプ、pH1~14）１０個（１００００円）
〜〜〜 その他単価 〜〜〜
虫薬キンカン120mL（800円）、赤ワイン（1000円）、クエン酸500g（1000円、食品添加物）、重曹500g（500円、食品添加物）。
- ▶実験時間は約５０分で、これは２種類のアントシアニン溶液を試すことができるくらいの時間です。片付けの時間は入っていません。
- ▶酸・塩基試薬の数を変える事で時間を調整しようと考え、６０名クラスでは４つに限定しましたが、その効果は定かではありませんでした。
- ▶クエン酸や重曹、漂白剤は事前に水溶液にして準備しておきました。
- ▶塩基性側の方が色の変化が面白いので、塩基性の試薬を多く準備した方がよいです。
- ▶教室で行うため強塩基は使用せず、漂白剤は酸と混ぜても塩素の発生しない酸素系の弱塩基を使用しました（「混ぜるな危険！」の次亜塩素酸ナトリウムではなくて過炭酸ナトリウム）。しかしそれだと色の変化が乏しくなりさみしいですが仕方ありません。
- ▶ロールタイプのpH試験紙はわかりにくいので、ちょっと値段の高い4色比較のスティックタイプを奮発して購入しました。
- ▶キンカンは大人気で、みんな「くさいくさい」と言いながら大喜びで使うのでおすすめです（小学生と変わらないですね）。そのためあっとゆう間になくなってしまうのでコストを考えると大人数のクラスには不向きです。
- ▶ アントシアニン溶液には、100%ブドウジュース（ウェルチ）、100%ブルーベリージュース（ちょっとドロドロしている）、クランベリージュース（20~30%、100%はないみたい）、赤ワイン（ポリフェノールたっぷり！とラベルに書いてあるもの）、紫野菜ジュース、ぶどうカルピス、グレープ味のファンタ（無果汁だけど成分表にはアントシアニン色素と書いてある）などで試してみました。２、４、８倍希釈で試しましたが、８倍希釈くらいがよいと思います（好みもありますが濃いと色が分かりにくいので）。
- ▶一番のお勧めはぶどうカルピスです o(≧∇≦)o 。パステルカラーっぽい色が奇麗に出ますし、甘くていい匂いがします。カルピスが好きな人はテンションがあがると思います。でも成分表には“野菜色素”とあるので、少し考えさせられます。ブドウ由来じゃないんだろうか。
- ▶次にお勧めは赤ワインです。色が奇麗にでますし、お子様な１年生は”お酒”で少しテンションがあがるようです（飲ませてはいませんよ）。ポリフェノールたっぷり♡が良いのかもしれませんが、普通の赤ワインでは試していないのでわかりません。
- ▶野菜ジュースやドロドロ系の100%ジュースは沈殿物が邪魔ですが、色はちゃんと出ます。ファンタはあまり美しくなく、学生のテンションが下がるのでやめた方がよいです。
▶２種類のアントシアニンの色を並べて比較できるように、カップはもっと大量に準備しておけばよかったです。
▶漂白剤を入れたアントシアニンの中には、時間が経つにつれてだんだんと褐色〜黄色に変化していく物があります。これがアントシアニンの（不安定という）性質なのか、“漂白剤”としての作用なのかは不明です。
教養演習2012量子化学入門12
第１２回目はpovrayのプログラミング的活用法です。変数、繰り返し、条件分岐、マクロなどについて例題を示し、それらを利用して水素原子波動関数を書いてみようというものです。それぞれ#declare, #while(), #if~#else, #macroという構文を使うことになります。講義ではこれらを使って球を球で埋めるやり方を例題とし解説しました。この知識を利用して水素原子波動関数Ψを書くことが課題になります。Ψは講義で示した動径波動関数R_{r}と球面調和関数Y_{l,m}の積で表されます、Ψ=R*Y。
記録するのをすっかり忘れていました。授業では2px軌道を解説しましたが、絵を描くことよりも式を正しく記述するところで引っかかっているようでしたね。アニメーションは今回は去年に引き続き今回も行いませんでした。2px軌道の解説をするところまででいっぱいいっぱいでした。アニメーションをやるとしたらもっと時間をとる必要があるな。第１３回目は量子化学関係で使うプリーソフトの紹介です。
教養演習2012量子化学入門11
今日からPov-Ray演習に入りました。先週まで使っていた gnuplot や 今日から扱う Pov-Ray は、研究をアピールするためのイラストや、論文で分かりやすい図・グラフを作成するのに実際に利用されています。今日は「カメラ・ライト・オブジェクト」からなるシーンファイルの構成を解説し、もっとも単純な球とトーラスを題材に信号機、オリンピックリングを描いてもらいました。それらを応用して分子の図、または原子配置図を描くのが今日の課題になります。
MacでPov-Rayを使うためにはターミナルからコマンドラインで実行することになるので面倒である。ちょっと心配したけど、gnuplotで慣れたせいか何のトラブルもなくスムーズに進んでよかった。WindowsではgnuplotもPov-RayもGUIで利用できるので「Winの方がいい」と思う学生がいるかもしれないけど、ターミナルを知っていて損はない！（たぶん、、、）。分子の作図では、ベンゼンをがんばって描く学生もいれば信号機の色を変えて「二酸化炭素」と言う強者もいたな，笑。来週は「繰り返し文」と「条件文」を使って水素原子を描いてもらう予定です。余裕があればアニメーションまでやってみよう。
教養演習2012量子化学入門10
今日はいよいよ原子軌道です。最初に媒介変数の使い方を復習し、円、球、トーラスのグラフを描きました。その後板書講義で説明した球面調和関数の復習として、実数化する手順、量子数l=0,1,2とs,p,d軌道の対応について解説し、f軌道を例にgraphを描いてみました。半径rの球において、その半径rを球面調和関数の絶対値の動径r(θ,φ) = |Real Yl,m(θ,φ)|に変えることで化学の教科書に載っているような原子軌道の形が出来ます。来週からはPov-ray演習に入ります。
今日でgnuplot演習は終了、去年より回数を増やしたのでじっくり出来てよかった気がする。9つのs,p,d軌道を課題にしたけど、みんな嫌な顔してたな笑。１つスクリプトが出来れば、あとは関数を変えるだけですよ〜。でもこの後のPov-ray演習では「p軌道」ではなく「2p軌道」や「3p軌道」が待っているのであった、ふぉっふぉっふぉっ。楽しみである。
教養演習2012量子化学入門09
今日のgnuplotのテーマは波です。最初にgnuplotでデータfittingが出来ることを紹介し、その後課題になっているパルス波と２重スリット（干渉）実験を具体例としてグラフを描きました。パルス波では波長の異なる波を重ねていくとパルス波があらわれることをグラフを使って示し、時間間隔を短くしていくとエネルギーが曖昧になってしまうという不確定性原理を説明しました。干渉実験では２次元球面波の重ね合わせと半円表示で、干渉縞ができることをグラフで確認しました。来週は原子軌道（球面調和関数）をgnuplotで描いてみます。
今日は原子軌道まで行う予定でしたが、一番楽しい原子軌道を急ぎ足でやってしまうのはもったいないので、講義の復習も含めて来週のお楽しみにします。そのあとPov-Rayに入ろう。そういえば先週のプリントを忘れてきた人が何人かいたな。配布プリントをWebに載せたほうがいいかどうか、少し検討しよう。
教養演習2012量子化学入門08
今日はこれまでの復習をかねて、スクリプトとして保存する方法と、課題の解き方について解説しました。スクリプトとして保存しておけば、loadすることでいつでも同じグラフを描くことができます。課題は先週行った１次元波動関数に加え、動径分布関数の描画です。余裕のある人向けに、ドローソフトを使ってベクトル図を編集する方法を簡単に説明しました。
今日は演習３回目。トラブルなく授業が進められて一安心。今までついて来れなかった学生を対象に丁寧に説明しながら進めたけど、思っていた以上に分かっていなかった学生が多いことが判明した。ちゃんと学生の理解度を把握していなかった。反省。先週ももっと丁寧に説明する必要があった。反省。今後の対策としては、演習１回目に学生のパソコンレベルを把握し、その後のペースをきめるべし。課題は次の授業前にメール等で提出してもらって理解度を把握し、次の授業の内容・ペースを調節すべし。去年と学生のタイプが異なった、マシントラブルが多かったなどどと言い訳をしてはいけない。というわけで、来週は球面調和関数は説明だけにして（これを説明しないと前半の板書講義が完結しない）、かわりに混成軌道をgnuplotでやってみようかな。ちなみに今日のドローソフトはLibreOfficeのDrawingを使用しました。実はベクトル図を扱うのがInkspaceより簡単だったので急遽変更したのでした。
教養演習2012量子化学入門07
今日はgnuplot演習2回目。媒介変数表示、アニメーション(gifアニメへの保存)、3Dプロット(splot）を使った演習を行いました。最後の課題は井戸型ポテンシャルの１次元波動関数で、n=3までの波動関数をエンルギー準位図の上に描いてもらいました。
今日もMac教室でトラブル発生、泣。面倒だけど来週までに１台１台確認することにします。今回はみんな苦戦していて、３つ用意していた課題は最後まで到達せず、ほとんどが課題１止まりだったようである。プリントのサンプルを打ち込むのに精一杯？（それともただ打ち込んでるだけ？）で理解が不十分なまま課題に突入しているようなので、来週は少しペースを落とし、説明を丁寧にやろう。gnuplotの時間をもう１時間増やす必要がありそう。
