プルプルせっけんを作ろう【 STEAM教育 ✕ 理科実験 】

皆さん、こんにちは！
サイエンスコミュニケーション講師の山﨑実香です。
今回は、私が授業をする時にも重視している「STEAM教育」について、1例をご紹介します。

それは「プルプルせっけん作り」という理科実験。

しかし、そもそもSTEAM教育とは何でしょうか？
なぜ、理科実験がSTEAM教育になり得るのでしょう？

まずSTEAM教育とは、

経済産業省、STEAMライブラリー、STEAMとはでも述べられているように

Science（科学）
Technology（技術）
Engineering（工学）
Art（芸術）　
Mathematics（数学）

いずれかに関わる分野を軸としながら、創造的な活動を伴った学習のことです。
このSTEAM教育では「これからのAI社会で生き抜く人材を、育成する力が高い」と言われており、アメリカ、ヨーロッパ、オーストラリアなど、世界各国で注目されています。

では、なぜ理科実験がSTEAM教育になり得るのでしょう？

それは、経済産業省、STEAMライブラリー、STEAMとはにもあるように「知ること」「創ること」をワクワクと楽しむ活動が、STEAM教育化しやすいからです。
実際に「STEAM教育」をアピールポイントにしている教育機関でも、理科実験を積極的に取り入れています。

STEAM教育  ✕  理科実験 の例

・宮城県総合教育センター、みやぎ理科支援ナビ、STEAM教育

・株式会社サイエンス倶楽部、サイエンス倶楽部、Sテックコース

・ヒューマンアカデミー株式会社、サイエンスゲーツ

・株式会社granDeclic、VIVID kids STEAM教室

・株式会社 S-Lab.

STEAM教育  ✕  石鹸づくり の例

・株式会社IHI、ものづくり教室

・株式会社granDeclic、VIVID kids STEAM教室、Instagram

 

というわけで、今回は「プルプルせっけん作り」実験を

1. 実験紹介
2. STEAM教育的要素

という大きく2つのパートに分けてご紹介します。

 

 

実験紹介

実験計画

・仮説

実験を始める前に、まずは「どうすれば、プルプルの石鹸ができるのか？」と予想してみてください。

山口県教育庁義務教育課、小学校理科における指導のポイント、第４号「予想を立てるときの指導」でも述べられているように「仮説を立てる作業」には、次のメリットがあるためです。

◆過去の経験や知識を振り返り→未来の活動に活かす力が養われる。
◆指示された作業をこなすだけでなく→自分で見通しを持って取り組む姿勢が育まれる。
◆「やはり予想通りだ」「いや、新発見があった！」など感情の動きが生まれる。

つまり、お子様がつまずいている場合には「プルプルのあのデザートの真似をするよ！」などヒントを出してもOKです。

 

・材料

私が試行錯誤した結果、お勧めの実験準備物は、こちらとなりました。

主役はハンドソープ＋ゼラチン！

〜★は必須〜

★シリコン型✕適量
　今回の分量だと、穴は大✕4個 ＋小✕8個程度

★液体ハンドソープ✕30ml
　泡タイプは石鹸成分が薄いため、お勧めではない

★ゼラチン✕約10g（大さじ約1杯、小さじ約3杯）

★水✕約100ml

★約50℃のお湯が用意できる環境
　給湯温度の設定ができる水道
　電子レンジが使える環境など

★トレー、バット、お盆など✕適量
　シリコン型を置いて、冷蔵庫に入るサイズ

★容量約200ml以上の電子レンジ加熱が可能な容器✕1個
　タッパー、ボウル、紙コップなど

★混ぜるもの✕1つ
　箸など

・大きめのスプーン✕1本
　容器からシリコン型へ、直接液体を注ぎやすいなら不要

・大さじ、もしくは小さじ  ✕  1本
　予めゼラチンを測りとっておくなら不要

・計量カップ✕1個
　予め液体の容量が分かっているなら不要

・食紅やフードカラーなど、体に優しい着色料✕適量
　色を付けないなら不要
　体に害を与える可能性があるため、絵の具はお勧めではない

・材料や体に付いた汚れをぬぐえるもの
　ティッシュ、タオル、ゴミ箱など

 

実験手順、結果

①ゼラチン溶液を作る

A　水をお湯にする

まずは、ゼラチンをしっかりと水に溶かす必要があります。
溶けていない状態でハンドソープと混ぜても、しっかりと固まらないためです。
水 ✕  約100mlを用意し、何らかの方法で約50℃前後のお湯にしましょう。
火を使いたくない場合には

◆給湯温度を50℃に設定し、水道からお湯を出す
◆500〜600Wの電子レンジで、約50秒加熱する（60秒は長すぎる）

などの方法がお勧め。

温度計を使わずとも、指を入れて「お風呂より少し温かい」と思う程度ならＯＫです。
ここで注意なのは「熱々にしてはイケナイ！」ということ。
ゼラチンを70℃以上にしてしまうと…壊れてしまい、冷やしても固まらなくなるためです！

 

B　お湯＋ゼラチン

お湯✕約100ml🍵が用意できたらそこにゼラチン約10gを入れて、しっかりと混ぜて溶かします。

②ゼラチン＋石鹸溶液を作る

ゼラチン溶液ができたらそこに液体ハンドソープ✕約30mlを入れて、ゆっくりと混ぜます。
はやく混ぜると泡が立ち、そのまま固まってしまうと格好悪いですよ！

③飾る

石鹸に色を付けたい場合には、溶液を「食紅など、体に付いても安全な着色料」で染めてみましょう。
今回は、溶液を半分に分けて、片方だけ着色してみました。
紙コップを使う場合には、縁を折って尖らせておくと、注ぎ口になり便利ですよ！

④シリコン型に入れる

固まった後、簡単に押し出すことができるため、柔らかいシリコン性の型を用意します。
ここに溶液を注ぐのですが、A, Bのコツに気づきました。

 

A　トレーを敷く

最初にトレーを敷き
　▼
その上にシリコン型を置き
　▼
シリコン型に溶液を注ぎ
　▼
一番下に敷いたトレーごと持ち上げて、冷蔵庫へ保存する

このようにすると、溶液が溢れにくかったです。
一方、直接シリコン型を持ち上げたところ、フニャッと崩れて溶液が溢れてしまいました！

 

B　少なめに入れる

シリコン型の穴いっぱいに溶液を入れてしまうと

・冷蔵庫まで運ぶ際に、零れる
・溢れて、隣の色と混ざってしまう

というトラブルが起きました。
微調整の難しいお子様の場合、溶液の入ったカップから→直接シリコン型へ注ごうとすると、一気にドバッと入って溢れてしまうかもしれません。
大きめのスプーンなどですくって、少しずつ入れる方法がお勧めです。

⑤冷やして、固めて、取り出す

1時間ほど冷蔵後に入れたところ、固まっていて、キレイにシリコン型から押し出せました。

しかし、この所要時間は

・分量
・石鹸の厚さ
・実験を行う季節（今回は冬）
・冷蔵庫の性能や環境

により左右されるでしょう。

⑥使用する

40℃くらいのお湯＋石鹸で手を洗ってみたところ、泡立ちもあり、問題なく使用することができました！

触った感触は ″プルプル揺れるけれど、少し硬めのゼリー″という感じ。
しかしデザートのゼリーほど崩れやすくはないため、安定感もありました。
食紅の色が出てきても、サラサラと水に流れ落ちるので、気になりません！

ただし、この石鹸を冷蔵庫外に出しっぱなしにできるのは、春秋冬だけ。
夏の室温だと、ゼラチンが溶けてしまうからです！

また、乾燥した季節に数日間外へ出しっぱなしにすると、ゆっくり小さくなっていきます。
水分が蒸発するからですね。

気になる場合には

・はやめに使い切る
・蓋付きの容器に入れる

などした方が良いかもしれません。

 

 

STEAM教育的要素の考察

結果が出た後は、実験内容に対する考察をしましょう。

ベネッセ教育総合研究所、「考察」とは何かでも述べられているように、考察により「論理的な思考力」や「科学的にものを見る力」が育まれるためです。

よくあるミスは、考察を「自分の感情を述べる」だけで終えてしまうこと。
考察とは、そのように感情をぶつける作業のことではなく「結果を結論に結びつける作業」だからです。
「科学的な法則を見つける作業」とも言えます。

今回の考察は、STEAM教育的要素と絡めながら行ってみましょう。

まず私は、STEAM教育の定義を文部科学省、STEAM教育等の各教科等横断的な学習の推進に倣い、次の3つ全てに当てはまるものと考えています。

（1）実社会で役立つシーンがある
（2）教科等横断的な学習になっている
（3）Science（科学）
　　 Technology（技術）
　　 Engineering（工学）
　　 Art（芸術）
　　 Mathematics（数学）

のうち、いずれかの分野を軸にしているそれぞれについて「せっけん作り実験」と絡めながら、考えていきましょう。

 

実社会で役立つシーン

日本石鹸洗剤工業会、おろそかにできない「除菌」や株式会社衛生微生物研究センター、手洗いによる除菌効果でも述べられているように、石鹸による洗浄には、高い除菌効果があります。

今回の実験で作ったものを衛生のために使用することは勿論、この実験を機に「なぜゼラチンで固まったのか？」「なぜ石鹸で汚れが落ちるのか？」など、関連することに思考を巡らせることで

・食育学習
・衛生環境づくり
・商品開発

に役立ちます。

 

教科等横断的な学習

今回の実験は、主に

Science（科学）
Art（芸術）

に深く関わっています。

そもそもScience（科学）とは文部科学省、「科学」と「技術」、「科学技術」についての通り、広義には「物事の法則を見つけて整理すること」を意味します。

しかし、株式会社  朝日新聞社、寺子屋朝日 for Teachers、STEAM教育とは？で浜田知宏も述べているように、STEAM教育のSが意味するのは、狭義である「自然科学」のこと。
いわゆる ″理系の分野″ということです。

自然科学の中でも、今回は

理科
食品科学
衛生学
環境学

などが関連しています。
この後、詳しく考えていきましょう！

 

S, T, E, A, Mに関連する事項

私は、小中学生を中心とした講師経験が長く、理科実験の授業もたくさん行っています。
ここからは、実際に生徒たちから出た質問も多く取り上げてみました。

①Science（科学）的側面

A　食品科学 ✕ 理科的 な学習

◆ゼラチンは、自然界にあるの？

ゼラチンという状態ではく、コラーゲンという状態で動物の体の中に存在しています。

私たちがスーパーなどで買えるゼラチンの粉は、ほとんどが牛骨か豚皮膚のコラーゲンから取られたもの。
三重らせん状のコラーゲン分子が、酵素や熱で分解されて、低分子化したものがゼラチンなのです。

コラーゲンとはタンパク質の一種で、皮膚＞骨、軟骨＞血管、内蔵  など体の至るところに存在します。

・肌や皮膚の形を保つ
・丈夫な骨、筋肉、血管、内臓を作る
・関節をスムーズに動かす

といった、重要なはたらきをしているんですよ！

◆お湯に溶かしたゼラチンは、なぜ冷えると固まるの？

 

ゼラチンの

それ以上熱くすると、溶け始める温度（融点）
それ以下に冷やすと、固まり始める温度（凝固点）

は共に約25℃

約25℃以上のお湯に溶けたゼラチンは、ドロドロに溶けてマヨネーズのようになります！
これは、分子がバラバラの「ゾル」という状態です。

これを約25℃以下に冷やすと、網目状のカチッとした構造の「ゲル」に変わります。

そして網目の中に水が閉じ込められるため、プルプルに！

この反応は可逆的（＝元に戻る）なので、70℃以下で温めたり冷やしたりを繰り返すと、溶けたり固まったりを行ったり来たりします。

◆なぜゼラチンを70℃以上のお湯に入れると、冷やしても固まらなくなるの？

ゼラチンはタンパク質の1種です。

タンパク質には、ある程度以上の高熱にさらされると、構造や性質が変わって元に戻らなくなる「変性」という性質があるからです。
例えば、生卵をフライパンで熱すると、凝固して目玉焼きになりますよね。
そして、目玉焼きを冷やしても、生卵には戻りません（＝不可逆的）

これと同じことが、ゼラチンにも起きてしまうからです。

 

B　衛生学  ✕  理科的な学習

◆石鹸は、自然界にあるの？

自然界に、石鹸そのものは存在しません。

しかし、石鹸の素は存在します。それは「油」と「灰」

その理由は、石鹸が誕生した古代ローマ時代にまで遡ります。

古代ローマ人が羊の肉を焼いていた際「その肉から滴り落ちた油＋その下にあった、木が燃やされて灰になったもの」が混ざり、偶然に「油汚れが落ちる石」が誕生しました。

それこそが石鹸です。

◆石鹸は何からできているの？

石鹸は　油脂　＋　アルカリ性の薬　からできています。

石鹸が口に入ってしまうと苦いのは、このアルカリ性の性質です。

もっと化学的に表現すると「石鹸とは、脂肪酸がアルカリ性の薬品によって、けん化されたもの」と言えます。
※けん化とは…水ではなく、アルカリ性の薬品を加えて、加水分解と中和を同時に起こす化学反応のこと

原料になる油脂は、動物性のものだけではなく、植物性のものが使われることも多いです。
その油脂に混ぜるアルカリ性薬の種類を変えると、固形石鹸になったり、液体石鹸になったりします。

◆界面活性剤って何？

界面活性剤とは、

・油になじみやすい部分（親油基＝疎水基）
・水になじみやすい部分（親水基）

の両方を持った物質のこと。

界面活性剤には色々な種類がありますが、石鹸や洗剤はその1種なんです。

◆なぜ石鹸で手を洗うと、キレイになるの？

石鹸が

・親油基
・親水基

の両方を持っていることにより、油にも水になじむからです。

例えば、手に付いた油汚れは、水洗いでは落ちません。
油は水にはなじまないからです。

しかし、その手を石鹸でこすってから水洗いをすると。
　　▼
石鹸が油汚れにも水にもなじみ
　　▼
水中の石鹸が油汚れを包むような丸い構造（ミセル）になり
　　▼
流水で、全部一緒に流れ落ちます

このように、ミセルが水中に漂う現象のことを「乳化」といいます。
油脂が水中に漂っていると、白く濁って見えるため″乳″の字が使われているんですよ。

◆石鹸で落とせる汚れの種類は？

直接的に落とせる汚れは、石鹸の構造上

・油性の汚れ
・水性の汚れ

です。

例えば、多くのウイルスの膜は油脂でできているため、石鹸による除去が有効と言えます。

しかし実際には、手に付いている汚れの上には、また別の汚れ（菌など）が付いている場合もあります。
そういった意味では、間接的に様々な汚れを落とすことができますよ。

◆なぜ水で手を洗っても泡が立たないのに、石鹸水だと泡が立つの？

それは「石鹸水は表面張力が弱いから」です。
※表面張力とは…ギュッと縮こまり、丸くなろうとする力

水は表面張力が強いため、すぐにギュッと縮まり、丸い水滴になります。

一方、石鹸水の場合には、表面張力が弱いため、丸い水滴が潰れにくいのです！

その丸の中に空気が入ると、泡になります。

◆川の水で石鹸を使ったとき、日本の石鹸を海外で使おうとしたとき、石鹸が泡立たないことがあるのはなぜ？

 

マグネシウム、カルシウムなどのミネラルを含んだ水（硬水）の中で石鹸を使うと石鹸の親水基が、水だけでなく、ミネラルにもなじんでしまうからです。
この状態だと、油汚れが水で洗い流されにくいどころかむしろ、ミネラルと石鹸がなじんだものが、水に流れず汚れとして溜まっていってしまいます。
これが「石鹸カス」や「金属石鹸」と呼ばれる汚れです。

日本の水道水はミネラルの少ない軟水なので、日本では軟水で使える石鹸が作られています。
硬水で石鹸を使いたい場合には、天然石鹸ではなく、合成洗剤を使うことになります。
合成洗剤は水に溶けた時に中性になるように調整されていて、他の物質（ミネラル）となじみにくいミネラルをバリアのようなもので囲う「洗浄力キープ成分」が配合されている、などの工夫がされているからです。

 

C   環境学  ✕  理科的な学習

◆石鹸を流すと、環境に悪いの？

経済産業省、化学物質管理政策、ケミカル・ワンダータウン、合成洗剤と環境問題にも記されているように、合成洗剤は、環境へ悪影響を及ぼす可能性があります。
その理由は、合成されている化学物質にもよりますが

◆微生物などの自然界における分解者は、人工的に合成された成分だと、有機物から無機物へ分解できない…よって生物が利用できる栄養にならないため
◆合成洗剤には、石油など、体に蓄積しすぎると健康を害する成分が入っているため
◆合成洗剤には、体に浸透しすぎる成分が入っていて、皮膚ごと剥がれやすくなるため
◆人工的に合成された成分が微生物の栄養になり、微生物が増えすぎて生態系のバランスを崩してしまうため

など様々です。

天然油脂よりも石油類の方が「簡単で、安く、大量に生産できる」という理由から、私たちの身の回りにはたくさんの合成洗剤が使われています。

しかし、SDGs政策を進める企業が多くなった現在では、様々な衛生用品会社が「環境に優しい、微生物が分解できる天然石鹸」の開発に取り組んでいます。

 

D　理科的な学習

◆なぜゼラチンや石鹸は、水ではなくお湯に溶けやすいの？

温度が高い物質は、分子の動きが盛んな「熱運動」をしているからです。

溶媒（お湯）の分子たちが活発に動き、溶質（ゼラチンや石鹸）の分子にたくさんアタックする。
これにより、はやく、よく溶けるんですね。

②Art（芸術）的側面

石鹸に飾りつけをする工程では

・形
・大きさ
・色
・匂い
・中に入れるもの

など様々な要素で「どのようにアレンジしようか？」を考えてみましょう。

ベネッセ教育情報、豊かな心を育てる！お子さまがアートを習うメリットと方法でも述べられているように、アート学習には想像力や表現力を豊かにする効果があるからです。

王道の着色料は食紅ですが、体に付いても安全な色素として、植物の煮汁などを使うのも良いかもしれません。

また、今回は【白い石鹸水の上から少量の赤い石鹸水をゆっくり垂らす】という方法で、マーブル模様を作ってみました。

例えば他にも、別の色＋別の色を混ぜたりすると、すぐに色の三原色の学習につながります。

 

このように、STEAM教育では、創作活動を楽しみながら様々な学習効果を期待できます。

ただ、ここで紹介した全ての内容を、必ず網羅するように学習する必要はありません。

遊び半分＋お勉強半分くらいの気持ちで、「なぜ◯◯なのだろう？」「どうしたら◯◯だろう？」と自分なりに考える活動を、気軽に楽しんでください！