中学受験の理科【化学の基礎固め】熱エネルギーと水の状態変化との関係

                          

2021/02/12

前回のテーマでは、熱エネルギーの出入りによって、物質が固体・液体・気体という3つの状態に変わる(物質の三態)ことを解説しました。

今回は、化学の基礎固めとして「熱エネルギー」と「水の状態変化」について、さらに詳しく見ていきます。

 

 

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化学の基礎固め

物質の最も小さなツブを「分子」と呼びますが、熱エネルギーによって「水の分子」はどのように変化していくのでしょうか。

今後のテーマである「ろうそくの燃焼」や「化学計算」などを学習するうえで、「化学の基礎固め」となりますので、覚えるというよりもイメージできるようになることが重要です。

 

熱とは?

おでこに手をあてて、「熱があるね」とか「熱はないね」とか言いますが、「熱」とはいったい何者なのでしょうか。

「熱」は目に見えませんし、重さや体積もありません。「熱」とは、あたたかさのもととなる、エネルギーの1つなのです。

「熱」というエネルギーを、加えたり失ったりすることで、物質は次のような変化をします。

 

【状態】
熱エネルギーを加えることによって「固体は液体に」「液体は気体に」変化し、失うと逆に「気体は液体に」「液体は固体に」変化します。

【温度】
熱エネルギーを加えることによって物質の温度は上がり、失うと逆に温度は下がります。

【体積】
熱エネルギーを加えることによって物質は「ぼうちょう」して体積が増え、失うと「しゅうしゅく」して体積は減ります。

 

熱の伝わり方

熱の伝わり方(伝導・対流・放射)について詳しく整理しましたので、以下の記事を、ご覧ください。
中学受験の理科 熱の伝わり方(伝導・対流・放射)の基本まとめ

 

熱による物質の変化

 

物質の最も小さなツブは分子であり、同じ物質であれば、固体も液体も気体も同じ分子からできています。熱を加えたり(あたためる)、失う(冷やす)ことによって、物質がどのように変化するのか詳しく見てみます。

 

状態の変化

固体は分子どうしが固く手をつないでいて、形が変わらない状態です。固体の分子はわずかに動いていますが、熱エネルギーを失うほど、さらに動きは小さくなり、やがてまったく動かなくなってしまいます。

固体に熱を加える(あたためる)と、やがて分子は自由に動きまわることができるようになり、形が自由に変わる液体となります。

 

液体に熱を加える(あたためる)と気体になり、多くのエネルギーを持つ分子は、空間の中を自由に飛びまわる状態となるのです。

逆に熱を失う(冷やす)と分子の運動も少なくなっていき、気体は液体に、液体は固体へと変化していきます。

 

温度の変化

固体も液体も気体も、熱を加える(あたためる)と温度は上がり、熱を失う(冷やす)と下がります。ただし、たとえば一定の火力で熱した場合、温度の上がりかた(あたたまりやすさ)は固体・液体・気体で異なります。

注意が必要なのは、状態が変化するときは温度が変わらない点です。たとえば固体が液体になるとき、加えられた熱エネルギーはすべて、固体の分子が自由になることだけに使われます。つまり、すべてが液体の分子になるまでは、温度が上がらないのです。

おなじように、液体が気体になるときも、すべてが気体の分子に変わるまで温度は上がりません。

 

体積の変化

あたためると物質は「ぼうちょう」して体積が増え、冷やすと「しゅうしゅく」して体積は減ります。

おなじ重さ・おなじ物質の体積を、固体・液体・気体で比べると、大小関係は「気体>液体>固体」となるのがふつうです。

ただし、水は例外的に液体よりも固体のほうが体積は大きく、水をこおらせると体積は約1.1倍になります。

 

熱による水の状態変化

「水の状態変化」に関する基本を、確認しておきましょう。以下の記事を、ご覧ください。
中学受験の理科 氷/水/水蒸気~状態(固体/液体/気体)の変化

 

 

上図は、丸底フラスコに氷を入れて、一定の火力で熱したときの温度変化を示したものです。BC間は「0°C」、GH間は「100°C」と、温度が変化していませんね。

BC間では、すべての熱が氷をとかすために使われています。また、GH間では水を水蒸気に変えるために熱のすべてが使われているのです。つまり、BC間は「氷と水が混ざった状態」、GH間は「水と水蒸気が混ざった状態」といえます。

 

 

ちなみに、AB間とCG間の傾きの違いから、氷は水よりもあたたまりやすいことが分かります。

さらに、CDEFG間で、水が変化するようすを見てみましょう。

 

 

上図は、丸底フラスコに水とふっとう石を入れて、ガスバーナーで加熱しているようすです。ふっとう石を入れておくのは、「突ぷつ(とっぷつ、急にわいて熱湯がふき出すこと)」を防ぐためです。

どのような変化があらわれるのか、グラフのC点から順に見ていきます。

 

【C点】
加熱し始めて、すぐに丸底フラスコの外側が白くくもります。これは、ガスの燃焼によって生じた水蒸気(気体)がフラスコで冷やされて、こまかな水のツブ(水てき、液体)となってついたものです。

温度は上がって、フラスコの表面についた水てきは蒸発するため、くもりはすぐに消えてしまいます。

 

【D点】
しばらくすると、フラスコの中に小さなアワが見えてきます。これは、水にとけていた空気(気体)がぼうちょうして出てきたものです。

 

【E点】
やがて、対流をしながら、水全体があたたまっていきます。

 

【F点】
湯気が出て、フラスコの内側がくもってきます。これは、蒸発した水蒸気(気体)がフラスコで冷えて、小さな水のツブ(液体)になったものです。

 

【G点】
水中から、さかんに大きなアワが出て、「ふっとう」が始まります。これは、水中からも次々と水蒸気(気体)に変化している状態です。

 

【参考】
「ふっとう」していなくても、蒸発は起こります。これは、水面からのみ水が水蒸気となる状態です。

 

次のテーマは、カロリー計算(熱量計算)です。以下の記事を、ご覧ください。
中学受験の理科~カロリー計算(熱量計算)は基本パターンがあります!

 

 

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