【融点と沸点】宇宙人を探しに、エウロパとタイタンへ

融点と沸点 中1理科

地球には月という衛星があるように、木星や土星といった他の惑星にも衛星があります。

太陽系
太陽系。実際の大きさの割合。距離の実際の割合は下部に。
Beinahegut

例えば木星には、エウロパという衛星があります。1610年、世界的に有名な物理学者ガリレオ・ガリレイが自作の望遠鏡で木星付近を観察していたとき、エウロパを発見しました。ガリレオはそのとき、エウロパを含めて合計4つの衛星を発見しています。

ガリレオ衛星たち。木星は合計80ほどの衛星が確認されている

1610年1月7日、私は優れた道具を用意していたので、木星のそばに小さくて非常に明るい3つの星があることに気づいた。(注: 後に4つ目を発見)

ガリレオ・ガリレイ
自分で望遠鏡を作り、木星の衛星を発見したガリレオ

🌏 液体の水を持つ奇跡の星、エウロパ

たくさんある星の中でも、このエウロパは人類にとって大切な星です。天才ガリレオが発見した星というだけでなく、なんとその後の調査と研究の結果、エウロパには液体の水が存在することが分かったからです。

液体の水がある、木星の衛星エウロパ
ガリレオ探査機が撮影したエウロパ。太陽系内で液体の水を持つのは、木星の衛星エウロパやガニメデ、土星の衛星エンケラドスやタイタンなどがある。

地球のように海や川があるわけではありませんが、地面の下に豊富な地下水があることが確認されています。


月や火星にも、当然水がありますが….、それはあくまでも氷。どの惑星や衛星を探しても、氷は見つかっても水はなかなか見つかっていませんでした。だからこそ、「地球以外の星では、生命が誕生するわけがない」と考えられていました。

地球の姿
地球は水とともに、分厚い大気を持つ。エウロパも薄い酸素の大気を持つ

しかし、エウロパに地下水があることが分かって以来、科学者たちは「エウロパは地球と同じく、液体の水がある!地下水の中では、生命体が泳いでいるだろう!」といった大きな期待を抱きました。

エウロパの図
エウロパの地下水は地表に噴出することが分かっている

太陽から遠いのに、液体の水がある理由

エウロパは、太陽からとても遠いところにあるため、平均気温は -180℃ 近くの極寒の星です。水の融点は 0℃であるため、 -180℃ の星では通常、水は氷としてしか存在できません。

エウロパと融点と沸点

しかし、エウロパ内部には熱をもっているので、地下には水が液体として存在します。


そんなエウロパに住むかもしれない生命体を探すため、アメリカ航空宇宙局(NASA)ではエウロパに着陸させる計画もあります。

NASAのエウロパ着陸ミッション
NASAによりエウロパ着陸計画

実際、宇宙の研究をリードする科学者の中にも、エウロパに住む宇宙人(地球外生命体)の存在を信じ、研究を続けている人もたくさんいます。ワクワクしますよね。


宇宙人や地球外生命体を探すとき、氷や水蒸気だけがある星を探しても望みは薄い。やはり、状態変化による三態(固体, 液体, 気体)が全て存在し、それが循環していることが重要です。

水の循環
水の循環により、生命に必要なエネルギーが循環する
暮らしを支える「水の循環」

今回は、状態変化の続き、融点沸点について集中的に学ぶことで、「三態が循環している星はあるのか?」という疑問を理解してもらい、もっともっと宇宙人の存在について考えてもらおうと思います。


最後には、水があるエウロパよりも宇宙人の存在が期待されている、土星の衛星タイタンについて学びますよ!

🔥 エタノールを熱して状態変化させる

さて、宇宙人を探すため、三態についてもっと深く学びましょう。


物質を熱すると状態変化しますが、その様子をグラフに表すと、以下のようになりましたね。

物質の状態変化グラフ

今回は「融点」「沸点」について詳しく学ぶため、エタノールを実際に熱してみます。


エタノールは、殺菌/消毒によく使われるアルコールの一種です。

エタノール

エタノールを熱する時は、ガスバーナーを使いながら、以下のようにセッティングします。

エタノールの熱し方

エタノールを熱する際の注意点

エタノールは、水のように直接ガスバーナーで熱してはいけません。エタノールは非常に燃えやすくて危険だからです。


アルコールの燃えやすさを甘く見ることなく、熱した水の中にいれて、間接的に熱することが大切です。


これにより、引火を防ぐことができます(引火とは、熱により物質が燃えだすこと)。

エタノールは直接熱さないこと
間接的に温め、エタノールの引火を防ぐ

またご存知の通り、エタノールを熱することで液体から気体になるときは、体積が爆発的に増えます。

気体の膨張
蒸発すると、水なら体積が約1700倍になる

だから、もしエタノールが一気に沸騰してしまうと、激しい爆発など事故が起こることがあります。


それを防ぐため、沸騰石を入れておくことが大切です。

沸騰石
急な沸騰を防ぐ沸騰石

沸騰石を液体にいれておくと、熱することで少しずつ沸騰してくれます。後で急激に一気に沸騰すること(突沸)を防げるので、沸騰石を入れることが安全に繋がるのです。

突沸を防ぐ沸騰石
沸騰石があれば、沸騰は少しずつ起こる

エタノールを熱した状態変化グラフ

エタノールを加熱した時間を横軸、温度を縦軸にすると、以下のようなグラフを描くことができます。

エタノールの状態変化グラフ

エタノールは加熱していない状態では液体です。加熱を始めると、徐々にエタノールの温度が高まります。


しかし、エタノールの沸点である78℃まで上昇すると沸騰が始まります。

エタノールの沸騰が始まるポイント

沸騰が始まると、たくさんの熱が状態変化のために吸収されるので、沸騰中は温度は上がりません。


このグラフは、状態変化の一般的なグラフと全く同じです。一部分を切り取っているだけ。

通常の物質とエタノールの状態変化グラフ
エタノールは加熱時間が0のときも、すでに液体である

エタノールで記録した以下のようなグラフがあった場合、一つの状態変化の様子しか描かれていないため、それが融点なのか沸点なのか分からないことがあります。

融点か沸点か判断できない

この場合は、「その物質は、常温(20℃)のときに固体/液体/気体のどの状態か」を考えれば判断できます。


エタノールのグラフであれば、エタノールは常温で液体なので、上の表では明らかに沸点を表すはずです。


逆に、上のグラフが常温で固体の物質であった場合、上のグラフは融点を表すでしょう。

物質の分量とグラフの変化

例に挙げたエタノールのグラフでは、加熱時間が3分たったときに沸騰がスタートしていますよね(沸点の78℃になるまで3分かかった)。

沸騰スタートの瞬間

ここでもし熱するエタノールの量を2倍にすると、加熱時間が6分たったときに沸騰がスタートすることになります(沸点の78℃になるまで6分かかる)。

熱するエタノールを2倍にしたときのグラフ

沸騰にかかる時間も2倍になることも、同時に注意しておきましょう。

🌡 様々な物質の融点と沸点

物質それぞれには融点と沸点があるので、「これは何の物質か?」を知るためには融点と沸点を調べれば十分です。


もしある物質の融点が0℃で沸点が100℃であれば、それは必ずです。

融点と沸点を表す表

水とエタノールと合わせて、その他の物質の融点と沸点をまとめてみましょう。

物質融点(℃)沸点(℃)
酸素-218-183
窒素-210-196
メタン-183-162
エタノール-11478
0100
ナフタレン81218
水銀-39357
食塩8001413
アルミニウム6602467
15382862

もちろん、酸素や窒素などにも融点と沸点はあります。


これらは常温では気体ですが、

  • マイナス183℃より冷えれば液体に
  • マイナス218℃より冷えれば固体に

なる物質です。

液体酸素
マイナス183℃より冷えた液体酸素。青い液体。

融点と沸点から、物質の性質を読み取る問題

物質の状態は、

  • 融点より低い温度のとき……固体
  • 融点と沸点の間のとき……液体
  • 沸点より高い温度のとき……気体

と変化します。

融点沸点と物質の状態

ここで、もう一度表をみてみましょう。


以下の表を読みながら、問題に答えてみてください。正確に答えられるでしょうか?

物質融点(℃)沸点(℃)
酸素-218-183
窒素-210-196
メタン-183-162
エタノール-11478
0100
ナフタレン81218
水銀-39357
食塩8001413
アルミニウム6602467
15382862

問題1.

常温(約20℃)で、固体である物質を上の表から全て選びなさい。

💮解答&解説はここをタップ

答え: ナフタレン、食塩、アルミニウム、鉄

以下の図で、基本を頭の中で整理しましょう。

融点沸点と物質の状態
  • 融点以下….固体
  • 融点と沸点の間….液体
  • 沸点以上….気体

となります。まず分かりやすいように、各物質の融点と沸点を書いてみる事が大事です。以下のようにまず、酸素について書いてみます。

酸素の融点と沸点

そして、「20℃のとき」を聞かれているので、数直線の20℃のところを見ると…

酸素の場合は20℃で気体

20℃は沸点以上の温度なので、気体ゾーンに入ります。つまり、酸素は20℃では気体であることが分かります。


ナフタレンでも同じようにやると….

ナフタレンの融点と沸点

ナフタレンでは、20℃は固体ゾーンです。したがって、20℃ではナフタレンは固体。これで、全ての物質をチェックしてみるのが一番簡単な方法。


もっと早く一発で解くならば、「20℃で固体であるということは、“20℃では、融点にも達していない物質”である」ことに気づきましょう。融点が20℃より高ければよい。

20℃で固体の物質

融点が20℃より高いのは…

物質融点(℃)沸点(℃)
酸素-218-183
窒素-210-196
メタン-183-162
エタノール-11478
0100
ナフタレン81218
水銀-39357
食塩8001413
アルミニウム6602467
15382862

ナフタレン、食塩、アルミニウム、鉄の4つ。


確かに食塩もアルミニウムも鉄も、常温では固体ですよね。ナフタレンも常温で固体の物質です。

問題2.

マイナス30℃の環境で、液体である物質を上の表から全て選びなさい。

💮解答&解説はここをタップ

答え: エタノール、水銀


液体を聞かれているので、融点沸点どちらも注目します。


マイナス30℃で液体であるということは、「融点がマイナス30℃より低く、沸点がマイナス30℃より高い」必要があります。


つまり、マイナス30℃を融点と沸点が挟むような物質です。

マイナス30℃で液体の物質

表を見ると、融点と沸点の間にマイナス30℃があるような物質は…

物質融点(℃)沸点(℃)
酸素-218-183
窒素-210-196
メタン-183-162
エタノール-11478
0100
ナフタレン81218
水銀-39357
食塩8001413
アルミニウム6602467
15382862

マイナス30℃の状態が、融点と沸点の間にあるような物質はエタノールと水銀の2つです。

問題3.

10℃では液体ですが、120℃では気体である物質を上の表から全て選びなさい。

💮解答&解説はこちらをタップ

答え: エタノール、水


10℃で液体である物質は、融点沸点の間に10℃がある必要があります。

10℃で液体である物質

表を見ると、

物質融点(℃)沸点(℃)
酸素-218-183
窒素-210-196
メタン-183-162
エタノール-11478
0100
ナフタレン81218
水銀-39357
食塩8001413
アルミニウム6602467
15382862

10℃の環境で液体であるのは、エタノール、水、水銀の3つです。


さらに120℃で気体になるためには、沸点が120℃より低い物質であるはずです。

120℃で気体である物質

エタノール、水、水銀の3つの中で、沸点が120℃より低いのは…

物質融点(℃)沸点(℃)
酸素-218-183
窒素-210-196
メタン-183-162
エタノール-11478
0100
ナフタレン81218
水銀-39357
食塩8001413
アルミニウム6602467
15382862

エタノールと水です。水銀は357℃でやっと沸騰するので、120℃ではまだ液体です。

😤 鉄を呼吸する宇宙人がいるかも

物質の融点と沸点を学べば、酸素でさえ液体や固体になるし、鉄でさえ液体や気体になることが理解できたはずです。

液体酸素
マイナス183℃より冷えた液体酸素。青い液体。
融解した鉄
融解して液体になった鉄

映画『ターミネーター2』でも、シュワルツネッガー演じるT-800は、最後は高熱の鉄の海に沈んでいきました 😎 👍

星の温度により、変わる物質

このように、「その物質が気体であるか、液体であるか、固体であるのか」は温度によって変わります(分子の状態が変わるから)。

圧力鍋で学んだように、物質の状態は気圧も関係しますがここでは無視します。

私たちは普段、「酸素は気体だよ」と考えていますが、それは地球の常温が20℃くらいだからです。


マイナス200℃の星では、酸素は液体です。

酸素の融点と沸点

マイナス183℃を超えて初めて、酸素は沸騰して気体になります。

沸騰する酸素
沸騰して気体になる液体酸素

同様に、地球人の私たちは「鉄は固体だよ」と考えていますが、3000℃の星に鉄があったら、ふだん気体です。

🌓 宇宙人存在の筆頭候補、土星の衛星タイタン

さて…., ここで、液体の水が存在するエウロパよりも、さらに地球外生命体や宇宙人の存在が期待されている星を紹介しましょう。


それは、木星の衛星エウロパではなく、土星の衛星であるタイタンです。

太陽系と、土星の衛星タイタン
黄色で囲ったのがタイタン。地球からは、エウロパの2倍ほど遠い
Beinahegut

土星の衛星タイタンを発見したのは、オランダの天文学者ホイヘンスです。彼は1655年に、自作の望遠鏡で土星を周るタイタンの存在を確認しました。

クリスティアーン・ホイヘンスとタイタン
タイタンとホイヘンス。タイタンは大気に覆われているのでぼやけて映る

タイタンで湖を発見!!

1997年、NASA(アメリカ航空宇宙局)は、土星の探索のため、無人探査機のカッシーニを送り込みました。

カッシーニが撮影した、土星の環とエピメテウスとタイタン
カッシーニが撮影した、土星の環とタイタンとエピメテウス(土星の衛星は80以上もある)

そして2005年、土星近くにたどり着いたカッシーニはついに、着陸機ホイヘンスをタイタンに着陸させることに成功しました。

メタンに着陸したホイヘンスのイメージ図
メタンに着陸した探査機ホイヘンスのイメージ図。全長約1.3m, 重さ約300kg。まだタイタンに置きっぱなしで、最も遠い天体にある人工物
Huygens on Titan

地球にいた科学者たちは、ホイヘンスから送られてきたタイタンの写真を見て言葉を失います。なんと、タイタンには湖があったのです!

タイタンの湖
NASAが撮影した、タイタンの湖
タイタン北極地域にある湖
タイタン北極地域にある湖。カラーは後付け。

タイタンには湖だけでなく、

  • 分厚い大気
  • 台風を起こす雲
  • 雨が降る
  • 砂漠

など、地球とそっくりな環境を持っていました。

タイタンの地表
タイタンに上陸した探査機ホイヘンスが撮影した写真

しかも、タイタンの大気の90%は窒素です。地球も80%が窒素ですし、とても地球に近い星であることは間違いありません。人類が求め続けていた「第二の地球」は、タイタンだったのです!

地球上の空気に占める気体の体積の割合
『錬金術師、気体と出会う。アリストテレスを克服した18世紀』

タイタンの地表に、湖があるはずがない!

地球のような環境のタイタンですが、地球と決定的に違う点があります。タイタンは太陽からあまりに遠く、タイタンの表面温度は約 -180℃


水は、氷でしか存在できないのです。しかも、岩石のようにガチガチの氷です。

太陽系と、土星の衛星タイタン

では、タイタンにある液体の湖や雨は、水でなければ何なのでしょうか?


タイタンでは、メタンと呼ばれる物質が水の代わりになっています。メタンは地球では、超強力な地球温暖化の原因物質として知られる気体です。湿地帯の微生物の活動などで発生します。

牛のゲップとメタン
牛は胃袋で大量のメタンを発生させ、げっぷやおならとして放出するため、畜産が地球温暖化の大きな原因だとも言われる

地球では気体であるメタン。では、– 180℃の極寒の星であるタイタンでは、メタンはどんな状況でしょうか。メタンの融点と沸点は以下の通りです。

物質融点(℃)沸点(℃)
メタン-183-162

さて、融点と沸点について詳しく学んだ今ならば、タイタンでのメタンの状態が分かるはず。

地球とタイタンにおけるメタンの状態

そう、地球人にとっては気体であるメタンは、タイタンでは液体です。

  • 地球….液体といえば、
  • タイタン….液体といえば、メタン
タイタンと地球の違い

星で生命が生きるためには、地球のように、

  • 湖(海)

による水の循環が必要だと考えられています。


しかしタイタンには水の代わりに、

  • メタンの湖(海)
  • メタンの雲
  • メタンの雨

があります。地球の水のような、メタンの循環が実現しているのかもしれません。

タイタンの川や雲
タイタンの川や雲

しかもカッシーニ探査機の調査からは、なんとエウロパと同じく、タイタンの地下には液体の水がたくさん流れている可能性が高いようです!

タイタンの地下には水がある
有機物の大地の下に氷の層があり、その下に水の海がある
Cassini Finds Likely Subsurface Ocean on Saturn Moon

地上ではメタンの湖があり、メタンの雨が降る。そして地下には水の海がある….。なんだか、地球外生命体が見つかっても何の不思議もないですね。

「液体が、地表面で安定して存在する星」は、太陽系ではたった2つ。水を持つ地球(惑星)と、メタンを持つタイタン(土星の衛星)だけ。


「雨がふる星」も、太陽系では地球とタイタンだけ。ただし、タイタンの雨は水ではなくてメタン。


もしタイタン人が存在するなら、地球人が水を飲むように、メタンをゴクゴク飲んで生きているのかもしれません。

地球人とタイタン人
地球人とタイタン人

タイタン人からすると、水を飲むなんて信じられないはず。 -180℃の星に住む彼らにとって、基本的には水なんてただの固い岩石です。


「宇宙人(地球外生命体)は存在するのか?」という問題に立ち向かうとき、物質の融点と沸点を理解した今ならば、水の存在にこだわらなくてもよいはずです。タイタンのように、メタンなど他の物質が循環できる温度ならば、宇宙人が住んでいる可能性があります。

タイタンに住む生命体想像図
タイタンに住む生命体想像図
土星の衛星タイタンに生命体がいる! 「地球外生命」を探す最新研究(小学館新書)

📚 おすすめ参考文献

📖 参考になった書籍

宇宙に命はあるのか 人類が旅した一千億分の八

これがどのジャンルの、どの本よりも一番面白いです。理科や宇宙が好きなのにこれを読んでないなんてこと、ないですよね。

土星の衛星タイタンに生命体がいる! 「地球外生命」を探す最新研究(小学館新書)

とても面白い本で、宇宙にいる生命体の可能性について考えたい人にはお勧めです。タイトルが釣り気味なので、「しょうもない自称研究者が書いた適当な本かな」と疑心暗鬼で読みましたが、タイタンに限らず、地球外生命体の存在のための必須条件など、一般的な理科の知識としても深い知見を得ることができました。


宇宙船や探査機を飛ばし、惑星の環境を詳しく調査することは、地球についての知識を深めることに繋がります。

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土星最大の衛星タイタンで深さ100メートル超の湖が発見される 数千年の降雨(メタン)によってできた水深(メタン深)100mの湖。泳いだらどうなるんでしょう?

Titan’s Methane: Going, Going, Soon to Be Gone? タイタンは生命体の存在や今後の誕生が期待されていますが、「メタンは循環しているわけではなく、タイタンのメタンはすぐになくなるだろう」と考える説もあります。循環していてもおかしくないし、してなくてもおかしくない状況でしょうか。

Cassini Finds Likely Subsurface Ocean on Saturn Moon 土星からの重力によるタイタンの歪みが大きいため、タイタンが内部まで完全な固体でできているとは考えにくく、内部に液体が存在する可能性が高いようです。

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