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授業ガイド・ワークシートLESSON GUIDE · WORKSHEET

汚れの巻き取り実験室Grime Roll-Up Lab

身近な現象 · 化学単元: せっけんが汚れを落とすしくみ（ミセル）Grime Roll-Up Lab 目安 20分about 20 min
ねらいGoal：せっけん分子が疎水基を油汚れに差し込んで表面をおおうと、汚れが繊維から浮いて丸く巻き取られ、水流の力ではがれてミセル状の粒として水中に散らばること、水だけでは汚れがはがれないことを理解する。Students understand that when soap molecules push their hydrophobic tails into an oil stain and cover its surface, the stain lifts off the fiber and rolls up into a ball, then the water flow pulls it away as a micelle-like particle spread in the water, and that water alone cannot remove the stain.
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1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

  1. せっけんを使わず水だけで、強くかき混ぜて洗ったら、繊維についた油汚れははがれると思いますか。If you wash with water only, without soap, but stir very hard, do you think the oil stain on the fiber will come off?💡 油と水はなじむでしょうか。油を繊維にくっつけている力と、水流の力の大きさを比べることを考えてみましょう。Do oil and water mix? Think about comparing the force holding the oil on the fiber with the force of the water flow.
  2. せっけん分子が油汚れにくっつくとき、赤い頭(親水基)とジグザグの尾(疎水基)のどちらを油に差し込むと思いますか。When a soap molecule attaches to the oil stain, which part do you think it pushes into the oil: the red head (hydrophilic) or the zigzag tail (hydrophobic)?💡 画面の凡例で、それぞれが何に引かれると書かれているか確かめましょう。Check the legend on the screen to see what each part is attracted to.

2動かしてみようTry it

  1. 最初の状態(①かくはんの強さ 50、②水温 30℃)で再生されている様子を観察し、右下の「状態説明」の①〜④が順に進むようすと、被覆率・接触角 θ・付着力の値の変化を約10秒間記録する。In the starting state (① Stirring 50, ② Water temp 30℃), the wash is already playing. For about 10 seconds, watch items ① to ④ in the "Status" panel advance in order, and record how the coverage, the contact angle θ, and the adhesion value change.
  2. 汚れがはがれたあと、ミセル状の粒の外側に親水基(赤い頭)と疎水基(尾)のどちらが並んでいるかを確かめる。After the stain comes off, check which part lines the outside of the micelle: the hydrophilic heads (red) or the hydrophobic tails.
  3. 「⏪ 洗う:巻き戻し」を押して最初に戻し、①かくはんの強さを 100、②水温を 60℃ にして「▶ 洗う:再生」を押す。次に同じ手順で 20、10℃ にして再生し、「記録」欄の剥離時間を比べる。Press "⏪ Wash: Rewind" to go back to the start, set ① Stirring to 100 and ② Water temp to 60℃, and press "▶ Wash: Play". Then repeat with 20 and 10℃, and compare the detach times in the "Log".
  4. 「水だけで洗う」にチェックを入れ、①かくはんの強さを 100、②水温を 60℃ にして約20秒観察し、「状態説明」と付着力・水流の力の値を確かめる。Check "Water only", set ① Stirring to 100 and ② Water temp to 60℃, watch for about 20 seconds, and check the "Status" panel and the adhesion and flow values.

3確かめようCheck

  1. 最初の条件(50 / 30℃)で、被覆率、接触角 θ、付着力はどのように変わりましたか。何秒で汚れがはがれましたか。Under the starting conditions (50 / 30℃), how did the coverage, the contact angle θ and the adhesion change? After how many seconds did the stain come off?→ 被覆率は 0% → 約60%(約6秒)→ 100% と増え、接触角 θ は 46° から 120° 程度まで大きくなって汚れが丸くなった。付着力は約90から下がり続け、水流の力(約2〜3)より小さくなった約8秒で剥離してミセルになった。Coverage rose from 0% to about 60% (at about 6 s) and then to 100%, and the contact angle θ grew from 46° to about 120° as the stain balled up. Adhesion kept dropping from about 90, and when it fell below the flow force (about 2-3), the stain detached at about 8 s and became a micelle.
  2. はがれた油の粒のまわりには、せっけん分子がどの向きに並んでいましたか。Which way were the soap molecules facing around the detached oil particle?→ 尾(疎水基)が油の中に差し込まれ、赤い頭(親水基)がすべて外側の水の方を向いて粒を囲んでいた。頭が油の中に入ることはなかった。The tails (hydrophobic) were pushed into the oil, and the red heads (hydrophilic) all faced outward toward the water, surrounding the particle. No head ever went into the oil.
  3. かくはんの強さと水温を変えると、剥離までの時間はどう変わりましたか。How did the time until detachment change when you changed the stirring and the water temperature?→ 100 / 60℃ では約5秒、50 / 30℃ では約8秒、20 / 10℃ では約22秒かかった。かくはんが強く水温が高いほど早くはがれた。It took about 5 s at 100 / 60℃, about 8 s at 50 / 30℃, and about 22 s at 20 / 10℃. The stronger the stirring and the warmer the water, the sooner the stain came off.
  4. 「水だけで洗う」で、かくはん 100・水温 60℃ にしたとき、汚れはどうなりましたか。With "Water only" at Stirring 100 and 60℃, what happened to the stain?→ 「④剥離・分散:はがれない」のままで、接触角は 46° のまま汚れが変形するだけだった。付着力は約80〜90で、水流の力(約7〜10)よりずっと大きかった。The panel stayed at "④ Detach & disperse: stays stuck", and the stain only bent while θ stayed at 46°. Adhesion was about 80-90, much larger than the flow force (about 7-10).

4考えようThink further

  1. せっけん分子が油汚れの表面をおおうと、なぜ汚れが繊維から浮いて丸くなるのでしょうか。Why does the stain lift off the fiber and round up when soap molecules cover its surface?→ せっけん分子は油の表面と繊維の表面に並び、外側に親水基を向けるので、どちらの表面も水になじみやすくなる。すると水が油と繊維のすき間に入りこみ、油は繊維にふれる面積を小さくして丸まり(接触角が大きくなり)、くっつく力(付着力)が弱くなる。Soap molecules line both the oil surface and the fiber surface with their hydrophilic heads facing out, so both surfaces become easier for water to wet. Water then works its way between the oil and the fiber, the oil reduces its contact area and balls up (the contact angle grows), and its adhesion becomes weaker.
  2. 洗濯で、お湯を使ったりよくかき回したりすると汚れが早く落ちるのはなぜでしょうか。Why does laundry come clean faster with warm water and good agitation?→ 水温が高いとせっけん分子が速く動いて早く汚れに吸着し、かくはんが強いと水流の力が大きくなって、弱くなった付着力を早く上回るから。ただし水だけではどれだけかき回しても付着力が下がらないので、せっけんが必要である。Warm water makes soap molecules move faster so they adsorb onto the stain sooner, and strong agitation makes the flow force larger so it beats the weakened adhesion sooner. With water alone, though, adhesion does not drop however hard you stir, so soap is still needed.

よくある誤解Common misconceptions

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)

親水基hydrophilic group疎水基hydrophobic group吸着adsorption接触角contact angleミセルmicelle界面活性剤surfactant

先生へFor teachers

付着力はヤングの式と付着仕事 Wa = γ油水(1+cosθ) をもとにした値で、水流の力と比べて剥離を判定する簡略モデルである(数値の単位は任意)。中学では「せっけんが油と繊維の間に入りこみ、汚れを浮かせて包む」というイメージがつかめれば十分で、接触角や表面張力は発展的な内容として扱う。「⏪ 洗う:巻き戻し」で初期状態に戻るが、スライダーの値はそのまま残る。Adhesion is computed from Young's equation and the work of adhesion Wa = γ(oil-water)(1+cosθ), and detachment is decided by comparing it with the flow force; this is a simplified model with arbitrary units. For middle school, it is enough for students to picture soap getting between the oil and the fiber, lifting the stain, and wrapping it; treat the contact angle and surface tension as enrichment. "⏪ Wash: Rewind" resets the scene but keeps the slider values.