- 水が氷になると、体積はどうなるの？
- 水が水蒸気になると、重さは増えるの？
- グラフの平らなところで、何が起きているの？
状態変化の単元で、こういう所でつまずく人は多いです。
結論からいうと、状態変化で変わるのは体積で、質量は変わりません。
さらに、状態変化している間は、加熱しても温度が上がりません。
この2つを、水の例で1つずつ説明していきます。
状態変化とは
状態変化とは、温度によって、物質が固体・液体・気体の間で姿を変えることです。
水でいえば、氷（固体）、水（液体）、水蒸気（気体）の3つの姿が、それにあたります。
- 固体から液体: 融解（加熱）
- 液体から固体: 凝固（冷却）
- 液体から気体: 蒸発・沸騰（加熱）
- 気体から液体: 凝縮（冷却）
ここで大事なのは、姿が変わるだけで、別の物質になるわけではないということです。
氷も水も水蒸気も、中身はぜんぶ水です。
粒子で考えると分かりやすい
物質は、とても小さな粒子（つぶ）が集まってできています。
固体では、粒子がきちんと並んで、その場で小さく揺れています。
液体では、粒子の並びがくずれて、動き回れるようになります。
気体では、粒子がバラバラに飛び回り、粒子どうしの間隔が大きく広がります。
状態変化で変わるのは、この粒子の並び方と間隔です。
粒子の数や、粒子そのものは変わりません。
状態変化で体積と質量はどう変わる？
質量は変わらない
粒子の数が変わらないので、状態変化の前後で質量は変わりません。
ろうを液体から固体にしたときも、質量は50gのまま変わりません。
体積は変わる
いっぽう、粒子どうしの間隔が変わるので、体積は変わります。
たいていの物質は、固体 → 液体 → 気体と変わるほど、体積が大きくなります。
とくに気体になるときは、体積が大きく増えます。
下の図では、水10gが水蒸気になると、体積が約1700倍になっています。
図のとおり、質量は、氷・水・水蒸気のどれでも10gのままです。
体積だけが、11cm³・10cm³・17000cm³と変わっています。
水は例外: 氷になると体積が増える
ふつうの物質は、液体から固体になると体積が小さくなります。
図のろうは、液体のとき62cm³、固体になると55cm³です。
ところが水だけは例外で、液体から固体（氷）になると体積が約1.1倍に増えます。
このため、氷は水に浮きます。
密度で確かめる
密度は、物質1cm³あたりの質量です。
密度〔g/cm³〕＝質量〔g〕÷体積〔cm³〕
氷は、10g ÷ 11cm³ ＝ 約0.91g/cm³です。
水は、10g ÷ 10cm³ ＝ 1.0g/cm³です。
氷のほうが密度が小さいので、水に浮きます。
融点と沸点: 状態変化している間は温度が一定
固体が液体に変わるときの温度を融点、液体が沸騰して気体に変わるときの温度を沸点といいます。
水の融点は0℃、沸点は100℃です。
グラフの平らな部分では、加熱し続けているのに温度が上がっていません。
このとき、加えた熱は、温度を上げるためではなく、状態を変えるために使われています。
平らな部分が、融点と沸点にあたります。
融点・沸点は、物質の種類ごとに決まっています。
だから、融点や沸点を調べると、その物質が何かを区別できます。
なお、食塩水のような混合物は、融点・沸点が一定にならず、温度が少しずつ変わります。
よくある間違い
間違い① 状態変化で、別の物質になる
氷が水になっても、水は水のままです。
別の物質に変わる変化は、化学変化といって、状態変化とは別の単元です。
間違い② 水蒸気になると、粒子の数が増える
体積が増えると、粒子が増えたように見えます。
でも、増えているのは粒子どうしの間隔で、粒子の数は変わりません。
間違い③ 沸騰中も、温度は上がり続ける
沸騰している間は、加熱を続けても温度は沸点のままです。
グラフが平らなのはこのためです。
入試ではこう出る
入試では、状態変化は次の形でよく問われます。
- 加熱時間と温度のグラフを読んで、融点・沸点や、そのときの状態を答える
- 温度が一定になる理由を、言葉で説明する
- 液体のろうが固まったときの、体積・質量・密度の変化を答える
とくに「グラフが平らになる理由」は、記述で出やすい所です。
「状態を変えるために熱が使われるから」と答えられるようにしておきましょう。
練習問題
問1 物質が状態変化するとき、変化しないものを次のア〜エから1つ選びなさい。
（ア 体積 イ 質量 ウ 粒子の間隔 エ 粒子の並び方）
問2 水50cm³が氷になったとき、体積は約何cm³になりますか。
ただし、氷の体積は、水の約1.1倍とします。
問3 液体のろう（62cm³）が固体になると、55cm³になりました。
ろうの質量は50gです。
固体のろうの密度は何g/cm³ですか。
小数第3位を四捨五入して答えなさい。
問4 問3のろうについて、液体のろうの中に固体のろうを入れると、浮きますか、沈みますか。
液体のろうの密度は、50÷62 の値を使って考えなさい。
問5 水を加熱したときのグラフで、100℃で温度が一定になる理由を、「熱」という言葉を使って説明しなさい。
解答と解説
問1の答え: イ
状態変化では、粒子の数が変わらないので、質量は変わりません。
体積、粒子の間隔、粒子の並び方は変わります。
問2の答え: 約55cm³
氷の体積は、水の約1.1倍です。
50 × 1.1 ＝ 55
問3の答え: 0.91g/cm³
密度〔g/cm³〕＝質量〔g〕÷体積〔cm³〕に当てはめます。
50 ÷ 55 ＝ 0.909… ≒ 0.91
問4の答え: 沈む
液体のろうの密度は、50 ÷ 62 ＝ 0.806… ≒ 0.81g/cm³です。
固体のろうの密度は0.91g/cm³で、液体より大きいので、沈みます。
ふつうの物質は、固体のほうが液体より密度が大きいので、固体は沈みます。
問5の答え: 加えた熱が、液体を気体に変えるために使われるから。
沸騰している間は、加えた熱が温度を上げるためではなく、状態を変えるために使われます。
そのため、加熱を続けても温度が上がらず、グラフが平らになります。
まとめ
- 状態変化では、質量は変わらず、体積は変わる。
- 状態変化で変わるのは、粒子の並び方と間隔。粒子の数は変わらない。
- ふつうは固体より液体、液体より気体のほうが体積が大きい。気体になると体積は大きく増える。
- 水だけは例外で、氷になると体積が約1.1倍に増える。氷は水に浮く。
- 状態変化している間は、加熱しても温度が一定。水の融点は0℃、沸点は100℃。
- 密度〔g/cm³〕＝質量〔g〕÷体積〔cm³〕
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高校受験ラボ・進学塾リードアップ代表の山田優輔です！
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