はじめに

　小学５年の理科「流れる水のはたらき」の授業で、砂場にホースで水を流し、砂を削りながら川のように蛇行していく様子を観察した。砂の上を流れる水は少しずつ泡立ち、下流に行くほど、泡がクリームのようにたまっていた。どうして“クリーミーな泡”ができるのか。研究することにした。

予備実験

　インターネットで検索すると、次のようなことが書かれていた。
　「砂場のアルカリ性の成分が溶け出した『アク（灰汁）』でしょう。石けんもアクと油脂からできているくらいで、アクは泡立ちます。砂場には消毒剤も撒いてあるでしょう…」
　その内容が正しいとは限らない。薬の入っていない、川や山などの自然の砂は泡立たないのか。私たちは、実験で確かめることにした。

実験①

　川砂を、学区内の逢妻川（あいづまがわ）の河原から取ってきてバケツに入れ、水を入れて、泡立つか調べた。泡立った。

実験②

　山砂をホームセンターで買ってきて、調べた。泡立った。
　使った川砂、山砂に薬は入っていないが、アルカリ性の成分が入っているのかもしれない。

実験③

　砂と水を混ぜ、その液体がアルカリ性かどうか、「万能試験紙」（pH試験紙）で調べた。標準変色表と色を比べた結果、液体は「中性」で、アルカリ性ではなかった。
　これからの研究で“真実”を明らかにしたい。その方向を定めるために、砂が泡立つ様子を詳しく観察することにした。

実験④

　砂場の砂や花壇の土の上に水を流し、泡立つかどうか観察した。砂の場合は、土と比べて▽細かな泡がたくさん立つこと▽その泡がなかなか消えないことを発見した。
　次のように、「研究の目的」と「追究の２本柱」を決めた。

〈研究の目的〉

砂はなぜ細かな泡がたくさん立ち、消えにくいのか。科学的に明らかにする。

〈追究の2本柱〉

（１）細かな泡ができるわけ
（２）泡が消えにくいわけ

追究１：砂はなぜ、細かな泡がたくさん出るのか

　理科室の水槽に注目した。ろ過器の水が流入している水面下では、泡が立っている。水の勢いが、細かな泡が出る原因ではないか。

【実験１】

水を勢いよく注入して観察する。

《方法》

ビーカーに砂と水を入れ、注射器で水を勢いよく注入した。その時の水の様子をVTRで録画し、分析した。

《結果》

水中に泡はできたが大きく、すぐに消えた。水面に残ることはない。水が砂粒にぶつかった時に、泡ができるのではないか。

【実験２】

水が砂粒とぶつかっている様子を観察する。

《方法》

水流による土砂の堆積（たいせき）の様子を観察する「堆積実験装置」を使った。水槽に砂を入れ、勢いよく水を流した。

《結果》

水が砂粒にぶつかり、大きな泡が生じたが、細かな泡はほとんど出なかった。水の勢いは、細かな泡の発生原因ではない。砂粒の間の空気が泡になるのではないか。

【実験３】

砂に静かに水を入れて、細かな泡が立つか調べる。

《方法》

ろうと（漏斗）を使い、水を入れた。

《結果》

あまり多くはないが、細かな泡ができた。砂の中に“泡の素（もと）”があったのだ。土でも泡立ってよいはずだ。

【実験４】

土と砂に水を入れて、泡の発生量や水のしみ込み量などを調べる。

《方法》

砂場の砂、花壇の土の大きさを５mm目の「ふるい（篩）」を使ってそろえる。
泡の発生量：水面をデジカメで撮影し、プリントアウトする。プリントに５㎜方眼シートを重ね、泡の部分のマス目を数えて、水面全体に対する泡の割合を求めた。

《結果》

砂の場合、10回平均の泡の発生量は約40％。土では約10％だった。
水のしみ込み量：メスシリンダー（200ml）に砂100ml、土100mlをそれぞれ入れて、水100mlを静かに注いだ。

《結果》

砂の場合、10回平均の水がしみ込んだ量は26ml、土では14mlだった。
　これらのことから、土よりも、砂粒の間に多くの空間があり、それによって泡がたくさん発生することが分かった。しかし、できた泡は大きく、“クリーミーな泡”とは言えない。
　たまたま近くの幼稚園の砂場で、子どもたちが水を使って遊んでいた。手元に“クリーミーな泡”が出ているので聞いてみると、「水と砂を手で混ぜるんだよ」と教えてくれた。

【実験５】

水と砂を混ぜた時の「クリーミー度」を調べる。
クリーミー度：“クリーミーな泡”とは、細かな粒がたくさんそろった泡のこと。ここでは直径0.5mm以下の泡を「細かな泡」とする。0.5mmのシャープペンの芯をスケール替わりに顕微鏡（40倍）の視野に入れて泡を観察し、芯以下の細かな泡が全体に占める割合（％）を「クリーミー度」とする。

《方法》

バケツの中に、底からの高さ５cmまで砂を入れ、さらに高さ10cmになるまで水を静かに入れる。次に、水と砂を手で10秒間かき混ぜ、発生する泡を顕微鏡で観察しながら「クリーミー度」を計測した。

《結果》

水と砂を混ぜる前のクリーミー度（10回平均）は約50％、手で混ぜた後は約90％だった。でも、なぜ手で混ぜると泡は細かくなるのか。砂粒が泡を砕いて、細かな泡にしているのでは？

【実験６】

砂が泡を細かくするのか調べる。

《方法》

水100mlに洗濯糊（のり）を少し（0.5ml）入れ、電動泡立て器で10秒間かき混ぜる。砂がある場合とない場合とで、泡のクリーミー度を比較する。

《結果》

砂なしの場合のクリーミー度（10回平均）は約30％、砂ありの場合は約90％だった。明らかに砂と一緒にかき混ぜた方が、泡は細かく、クリーミーになっていた。でも、同じような粒は、土にも含まれているはずだ。

【実験７】

土と砂を構成している粒の大きさの割合を調べる。

《方法》

水分を除去するために、加熱、乾燥させた土と砂を、「ふるい」を使って３種類の粒の大きさ＝粒大（1.7mm以上）、粒中（0.35～1.7mm）、粒小（0.35mm以下）＝に分ける。それぞれの重さを計量し、構成の割合を比べる。

《結果》

砂は「粒中」が90％近くを占め、“粒ぞろい”であることが分かった。これなら、大きさのそろった、細かい“クリーミーな泡”ができるはずだ。でも、土にも「粒中」が60％ほど含まれているが、砂ほど細かな泡はできない。これはなぜか？
　飲もうとした“コーヒーの泡”に注目した。とてもクリーミーな泡”だ。

【実験８】

豆を挽（ひ）いたコーヒーの粒に水をかけ、顕微鏡で観察する。

《結果》

粒の表面に細かな泡がびっしり付いていた。砂も同様か？

【実験９】

砂に水をかけ、顕微鏡で観察する。

《方法》

ペトリ皿に砂を入れ、水をかけて観察した。

《結果》

粒の間に大きな気泡があった。砂粒の表面にも細かな気泡を見つけた。どの砂粒の表面にもあるわけではないが、砂の細かな泡の原因の一つかもしれない。

〈発見〉砂粒の表面に「細かな気泡」を発見！

〈追究１のまとめ〉

　砂粒の間には26％のすき間があり、それを空気が埋めている。そこに水が入ると、空気は「大きな泡」となって出てくる。「大きな泡」は砂粒の動きによって、大きさのそろった「細かな泡」になる。砂粒の表面に付く細かな気泡も、「細かな泡」の原因だ。

追究２：砂の泡はなぜ、消えにくいのか

　大きな泡は早めに消え、最後は、細かな泡が残る。砂の細かい泡は元々、消えにくい性質をもっているのか？

【実験１】

砂の泡が消えていく様子を、顕微鏡で観察する。

《方法》

顕微鏡にVTRカメラを取り付けて撮影する。泡の大きさを３種類＝直径1.0mm以上、0.5～1.0mm、0.5mm以下＝に分けて、泡の消えるまでの時間を測定する。

《結果》

直径が1.0mm以上の「大きな泡」が消える時間（10回平均）は約30秒と短く、0.5～1.0mmの「中くらいの泡」は約230秒、0.5mm以下の「細かい泡」は約320秒と極端に消えにくかった。

【実験２】

砂の「細かい泡」がつぶれるまで、詳しく観察する。

《結果》

「細かい泡」がつぶれた後に、「膜」のようなものが残った。土では確認できなかった。

【実験３】

「膜」を水に溶かして、顕微鏡で観察する。

《結果》

倍率100倍で、細かな砂粒を確認した。この砂粒が「膜」を作り、泡を消えにくくしているのか？

【実験４】

細かい砂粒を混ぜた水で、泡の消え方を調べる。

《方法》

【追究１・実験７】の「粒小」（0.35mm以下）１gを水10mlに混ぜて注射器に入れ、割れる限界までふくらませる。その時の「泡」の直径と割れるまでの時間を測る。

《結果》

何も混ぜない水と、ほとんど差はなかった。顕微鏡で見ると、混ぜた砂の「粒小」は、「泡（膜）の粒」よりも大きく、光っていた。「泡の粒」は砂粒ではなく、もっと小さな、水中に浮かぶ粒ではないか。

【実験５】

砂と水を混ぜ、沈殿する様子を観察する。

《方法》

コーヒーのビンの中に砂と水を入れ、混ぜ合わせてから、静かに置いた。

《結果》

ほとんどの砂はすぐに沈殿したが、上ずみ液はにごっていた。目に見えない「細かな粒」が、水中に漂っているのかも。翌日ビンを見たら、沈殿した砂の上に「粘土」のようなものが、さらに沈殿していた。粘土が「膜」を作っているのかも。粘土に泡を強くする効果があるのか。

【実験６】

「粘土」を混ぜた水で、泡の消え方を調べる。

《方法》

市販の「彫塑（ちょうそ）粘土」１gを水10mlに混ぜて注射器に入れ、割れる限界までふくらませる。その時の泡の直径と割れるまでの時間を測る。

《結果》

泡の直径（10回平均）は約７mm、割れるまでの時間は約35秒。いずれも何も混ぜない水（直径約３mm、約７秒）よりも大きな泡となり、長時間消えなかった。粘土が泡を強くしているならば、粘土をなくせば、泡は消えやすくなるはず。

【実験７】

水洗いした砂では泡が立つか調べる。

《結果》

砂を水洗いして、にごった水を捨てた。残った砂を水と混ぜて「電動泡立て器」で10秒間泡立てたが、泡はすぐに消えた。

【実験８】

水洗いした砂と水を混ぜ、沈殿する様子を観察する。

《結果》

コーヒーのビンに入れて静かに置いた。粘土の層がなくなっていた。やはり「泡の膜」を作っていたのは粘土だ。

【実験９】

「洗った砂」に粘土を溶かした水を加えて、泡立つか調べる。

《結果》

しっかりと泡立ち、消えにくくなることが分かった。

〈追究２のまとめ〉

　砂の泡が消えにくいのは、①砂が作る泡が細かいため。②できた泡の膜に「粘土」が付いて、泡を強くしているためだ。

残された疑問

（１）「泡の膜」を作っていた粘土の粒は、顕微鏡で見ると、複雑に絡み合って集合していた。なぜ絡み合うのか？
（２）砂全体からすれば、粘土の粒はほんのわずかだ。なぜ「泡の膜」に集まるのか？ まるで、「泡の膜」が粘土の粒を引き寄せているかのようだ。

おわりに

　「砂の泡」について、インターネットの情報は正しくなかった。ネットで調べて分かったつもりになっても、実際は違う。実験して、初めて分かったことが多かった。やはり自分の手で調べ、自分の目で見て「真実」を明らかにすることが大切だ。
　幼いころに戻って砂遊びのような実験をする中で、思いもよらない発見が数多くあった。特に、「泡の膜」に粘土が集まることは驚きだった。このことを使えば、水の中から、わずかな物質を取り出すことができるかもしれない。何だかわくわくした。