気体は暴れるライフル銃。不思議な「水」の状態変化

水の状態変化 中1理科

ファラデーのクリスマス・レクチャーから、状態変化を学びました。物質が

  • 固体
  • 液体
  • 気体

と状態変化する理由は、全て分子の振る舞い方にあります。

今回は状態変化の基本について学んだ後、後に人類に最も身近な物質であるの状態変化にフォーカスします。

💨 状態変化と体積の関係

熱を加えたり、冷やしたりすると物質の状態は変化します(状態変化)。

状態変化の図

このときの分子の様子から、体積の変化に注目してみます。

固体と液体の体積関係

ギッシリ分子が規則的に並んだ固体は、一粒一粒が細かく震えているだけで、全体としてしっかり形を保っています。


もしこれを加熱すると、分子の運動が激しくなり、液体となります(融解)。液体になれば、分子同士が離れるので、全体の体積は大きくなります

固体と液体の体積変化
熱により分子が動くので、液体では体積の方が大きい

固体のロウがビーカーに入っていて、それが熱されて溶けたとします。そうすると、縁のラインは上昇することになります。

ロウの融解

反対に、液体が冷えて固体になるとき(凝固)では、物質の分子はギュッと縮まり、体積は小さくなります。例えば、溶けて液体になったロウがビーカーに入っているとします。

液体のロウ

ロウの液体は、冷えると固まります。凝固する場合は分子の動きがギュッと収まるため、体積は小さくなります。その際は、ビーカーの真ん中が凹んだ形で固まります。

ロウの凝固

ロウは最も冷たいビーカーの端から固まっていくため、中央部が固まる頃にはロウがあまり残っておらず、空洞になってしまうからです。


しかし、融解や凝固しても、分子の運動の様子が変わるだけ。状態変化しても分子の数はそのままなので、質量はまったく変化しません

固体と液体の質量
状態変化しても、分子の種類や数は変わらない

液体と気体の体積関係

熱を得て、自由に動き回り始めた液体の分子たち。


ここからさらに加熱すると、分子はさらに激しく動いて空気中に脱出し、猛スピードで空中を動き回るようになります(蒸発)。

気体の分子構造

当然、分子同士は遠く離れ離れになってしまいます。したがって、気体の体積は圧倒的に大きくなります。液体のときの1000倍以上になることが多いです。

気体の体積
分子の数と種類は全く不変。運動の様子が変わるだけ。

袋に少量のエタノールを入れて、それにお湯に浸すなどして温めると、袋が膨張します。


袋内のエタノールの一部が蒸発し、体積が大きくなったからです。

蒸発による体積の増加と袋の膨張
冷えると元にもどる

気体が冷えて液体になると(凝結)、逆に体積は小さくなります。


しかし当然、気体になっても分子の数は変化なし。なので質量も、全く変化しません

液体と気体の質量変化
分子の数と種類は全く不変。運動の様子が変わるだけ。

🛩 状態変化とエネルギー

話は変わりますが、ライフル銃の弾丸は、時速約3000kmで発射されるらしいです。

ライフル銃
  • 新幹線…時速300km
  • 飛行機…時速800km
  • 音速…時速1200km(秒速340m)

であることを考えると、とてつもないスピードです。当然、打たれたら死にます。

新幹線、飛行機、音速、ライフル銃の時速

しかし実は、今もあなたの体には、ライフル銃に負けないスピードの弾丸がぶつかっています


こうしている今もあなたの体中を直撃している、その弾丸の正体は…、

  • 酸素
  • 窒素
  • 二酸化炭素
  • 水蒸気

などの気体たちです!


例えば、固体の物質での分子は、それぞれ細かく振動しています。

固体の分子構造
細かく振動しつつ、分子同士しっかり繋がっている

固体が加熱されて融解すると、熱のエネルギーによりもっと振動が激しくなり、分子が自由に動きます。これが液体。

液体の分子構造
液体では分子が自由に動けるので、液体の形は自由に変わる

さらに熱が加わり蒸発が起こると、液体中の分子がもっと暴れだして広がり、物質は気体になります。

気体の分子構造

気体になるほど熱が加わると、分子が持つエネルギーも高くなり、上図のように分子は空中を猛スピードで動き回ります。


このときのスピードはなんと…、

  • 二酸化炭素…時速1360km
  • 酸素…時速1600km
  • 窒素…時速1700km
  • 水蒸気…時速2100km
  • 水素…時速6400km

となります(1気圧/25℃の場合)。

気体分子のスピード

あなたの部屋でもどこでも、音速を超えるスピードで、気体の分子の弾丸はあなたに容赦なくぶつかっています。特に水素は軽いので速い。


もちろん分子はとても小さくて軽いので、分子の弾丸がぶつかっても痛みを感じませんし、死にません。ご安心ください。

🎈 状態変化と密度の関係

状態変化では、固体から気体の順番に体積が大きくなっていきます。


それでは、体積と関係の深い密度についても確認しましょう。

状態変化と体積の関係

この関係を密度になおして考えると、物質の密度の大きさランキングでは、

  1. 固体
  2. 液体
  3. 気体

となります。同じ質量ならば、体積が大きいほど密度が小さく、体積が小さいほど密度が大きくなるからです。

状態変化と密度の関係

従って、例えば液体のロウの中に固体のロウを入れると、固体のロウは沈みます。

沈む固体のロウ
※液体のロウは無色透明です

固体のロウの方が、液体より密度が大きいからです。

🌊 「水」は不思議な物質だった!

水は生命にとって絶対に不可欠で、最も身近な存在の一つです。


当然その水も、固体(氷)→液体(水)→気体(水蒸気)と状態変化する物質。

水の状態変化
水の「昇華」「凝華」は、特殊な環境でのみ起こる

しかしこの水、状態変化においては少し不思議で、ややこしい性質を持っています。

☕湯気を気体だと思ってませんか?(クリックで詳細)

鍋ややかんでお湯を沸騰させると、湯気がでてきます。沸騰させなくとも、お風呂のお湯は蒸発し、湯気が出ていきますね。

湯気は液体

しかし一点注意、この湯気は気体ではありません。


気体(水蒸気)ならば、目に見えないはずです。白っぽく見えるということは…、湯気は液体なのです。


お湯から蒸発した水蒸気が外気で冷やされ、凝結したものが湯気です。

水蒸気と湯気の違い
水蒸気(気体)が空気中で冷やされ凝結し、湯気(液体)になる

空を見上げて見える白い雲も、水蒸気が冷えて凝固した水です。液体ですよ。

雲は液体
雲の水滴は小さすぎてあまり重力の影響を受けない

参考: Curious Kids: how do the clouds stay up in the sky?
↑の日本語訳: なぜ雲は空に浮くことができるの?

水は、液体より固体の体積が大きい珍しい物質

ロウやエタノールなど、物質の三態の体積変化は、基本的には以下の通り。

水以外の物質の、状態変化と密度

しかし、水はこの例外。なんと、液体よりも固体の方が体積が大きいのです!
(約1.1倍に膨らむ)

状態変化における水の不思議な性質

水は氷になるとき、分子が隙間がある状態で固まる珍しい物質なのです。


水は凝固して氷になると体積が増えるので、ペットボトルの水が凍ると、ボトルがパンパンに膨れ上がります。

ペットボトルでパンパンになった氷
凝固して膨れ上がった氷。ビンだと割れる
https://imgur.com/9G27FQY

ビーカーに入れた水を凍らせても、当然膨れ上がります。その場合、中央部が膨らみます。

ロウの凝固と水の凝固

水は氷になると体積が増えてしまうため、冬は水道管が破裂することが多くなります。

冷え込みで水道管破裂相次ぐ 伊那谷ねっと

建築の世界では、水が凝固して氷になる瞬間の圧力を利用して、コンクリートにヒビを入れ、解体しやすくする技術もあります。

氷の膨張圧力を利用し、コンクリートにひびを作る
水が入った管を差し込み、凍らせて建築物を破壊
https://www.toda.co.jp/lucubration/pdf/v650.pdf

水の状態変化と密度

氷の方が水よりも体積が大きいということは……、氷の方が水よりも密度が小さいことを意味します。

水と氷の密度
普通は固体のほうが密度が大きいが、水は氷の密度が小さい

その証拠に、氷は水に浮かびますよね。これは、水より氷が密度が小さい(同じ質量のとき、体積が大きい)ことを表しています。

水に浮かぶ氷
氷の方が密度が小さいので水に浮かぶ
水の不思議まとめ

❄️ 偉大な「水」は、不思議な性質で生命を守る

  • ロウ
  • エタノール

など通常の物質は、固体の体積が一番小さくなります。分子がギュッと縮まるのだから当然です。


しかし、水は固体の体積が大きくなる珍しい物質

流氷
流氷は決して沈まず、海に浮いている

実は地球の生命は、「凍ったら体積が増える」この不思議な水の性質に守られています。

もし、氷のほうが水より密度が大きかったら?

もし、普通の物質と同じく、氷の方が密度が高かったとしましょう。

水以外の物質の状態変化における、体積と密度の関係

この場合、氷は水に沈むことになります。つまり、北極の氷は全て海底に沈みます。この時点で、ホッキョクグマは生きていけません。狩りができなくなるし、すぐに溺れ死んでしまいます。

氷の密度が水より大きいなら、ホッキョクグマは生きていけない

そして、特に寒い地域で凍った氷がドンドン沈めば、

  1. 海面で水が凍って氷になる
  2. 氷が海底に沈む
  3. また海面で水が氷になる
  4. 氷が海底に沈む

の繰り返しで、やがては海底から表面まで凍り尽くしてしまいます。寒い地域の海や湖では、冬は水中生物が生きていけません。


氷の密度が水よりも小さいお陰で、氷は表面を漂ってくれます。


そして温かい水は底にとどまるので、魚が泳ぎつづけることができます。

氷の密度が小さいから水中生物は生きられる
春になると、融けた氷は温まり底に沈み、湖底の水は上昇する。湖の栄養が循環。

📚 おすすめ参考文献

📖 参考になった書籍

水とはなにか―ミクロに見たそのふるまい〈新装版〉 (ブルーバックス)

水を分子レベルの構造から分かりやすく解説し、水にまつわる身近な疑問もある程度カバーされています。水の特殊性や分子運動については前半部分でよく触れられており、おおいに参考にしました。


後半からは生体内の水や麻酔についてなど、水を入り口とした発展的内容です。

📱 参考になったページ

Thermal velocity 分子の熱運動のスピードが載ってる

水の凍結圧力を利用したコンクリート構造物の破砕技術に関する研究 古代では凍結圧力を利用して巨石を割ったりしていたのでは、と考えて検索したら現代のが出てきました

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