状態変化と粒子のモデル シミュレーター

温度を変えて、固体・液体・気体で粒子の動きと体積がどう変わるかを見てみましょう。加熱曲線では、融点・沸点で温度が上がらなくなるようすを確かめられます。

状態変化とは

物質は温度によって、固体・液体・気体とすがたを変えます。これを状態変化といいます。たとえば水は、0℃より低いと氷（固体）、0〜100℃では水（液体）、100℃をこえると水蒸気（気体）になります。

状態変化では、物質そのものが別の物質に変わるわけではありません。温めて液体になったロウを冷やすと、またもとの固体のロウにもどります。

物質は、目に見えないとても小さな粒子が集まってできています。状態によって変わるのは、粒子の運動のようすと粒子どうしの間隔です。

状態が変わっても粒子の数は変わらないので、質量は変わりません。変わるのは粒子の間隔なので、体積は変わります。液体のエタノールを入れてふくろの口を閉じ、熱い湯をかけるとふくろが大きくふくらむのは、エタノールが気体になって体積が大きくなるからです。

①のモードで温度を上げると、容器のふたが上がって体積が大きくなるようすと、粒子の数が変わらないことを確かめられます。

多くの物質は「固体 < 液体」の順に体積が大きくなります。ところが水は例外で、固体の氷のほうが液体の水より体積が大きくなります（約1.1倍）。氷の中では水の粒子がすき間の多い並び方をするためです。

①のモードで物質を「水」にすると、固体のときのほうが、ふたの位置が高くなります。

固体がとけて液体になるときの温度を融点、液体が沸騰して気体になるときの温度を沸点といいます。

純粋な物質を加熱していくと、とけている間と沸騰している間は、加熱を続けても温度が変わりません。加えた熱が、温度を上げるためではなく、粒子どうしのつながりをくずしたり、粒子を引き離したりするために使われるからです。②のモードで、グラフが平らになる部分を確かめてみましょう。

融点・沸点は物質によって決まっているので、物質を見分ける手がかりになります。また、物質の量が変わっても融点・沸点は変わりません（量が多いと、とけ終わる・沸騰し終わるまでの時間が長くなるだけです）。

※ 沸点は、1気圧（ふつうの大気圧）のときの値です。資料によって小数点以下の値が少しちがうことがあります。

水とエタノールのように、いくつかの物質がまざったものを混合物といいます。混合物を加熱すると、沸騰が始まっても温度がゆっくり上がり続け、グラフは平らになりません。沸点の低いエタノールが先に多く気体になり、残った液体の割合が変わっていくためです。

この性質を利用して、液体を加熱して出てきた気体を冷やし、ふたたび液体として集める方法を蒸留といいます。水とエタノールの混合物を蒸留すると、はじめに出てくる液体にはエタノールが多くふくまれます。

問1　ロウ（固体）がとけて液体になると、質量と体積はどうなる？

質量は変わらない。体積は大きくなる。粒子の数は変わらず、粒子どうしの間隔が広がるためです。

問2　氷が水に浮くのはなぜ？

水は例外的に、固体（氷）になると体積が大きくなります。質量は同じなので、同じ体積で比べると氷のほうが軽くなり、水に浮きます。

問3　水を加熱し続けているのに、100℃のまま温度が上がらないのはなぜ？

沸騰している間は、加えた熱が液体の粒子を引き離して気体にするために使われ、温度を上げるのには使われないからです。②のモードで「水」の平らな部分を確かめてみましょう。

問4　ある液体を加熱したところ、沸騰が始まってからも温度がゆっくり上がり続けた。この液体は純粋な物質？混合物？

混合物。純粋な物質なら、沸騰している間の温度は一定になります。②のモードで「水とエタノールの混合物」を選ぶと、グラフが平らにならないことが分かります。

※ このシミュレーターは、しくみを分かりやすくするために簡単にしたモデルです。粒子の数や大きさ、気体の体積の増え方（実際の水では液体の約1700倍）、加熱曲線の時間の目盛りは実際とは異なります。