この実験について
水は、固体の氷、液体の水、そして水蒸気と呼ばれる気体という3つの状態すべてを観察しやすい物質です。-20 °Cの氷が入ったフラスコをホットプレートに置いて加熱しましょう。温度計、氷のかけら、泡、そして水蒸気を集める風船を観察し、拡大して粒子がどのように動いているかを見てみましょう。加熱曲線には意外なことが示されています。氷が融けている間も、水が沸騰している間も、温度はまったく変化しません。
学習目標
- 物質の3つの状態を挙げ、それぞれの例を示しましょう
- 固体、液体、気体の中で、粒子がどのように並び、動くかを説明しましょう
- 融解、凝固、沸騰、蒸発、凝縮という言葉を正しく使いましょう
- 純水は通常の気圧で0 °Cで融け、100 °Cで沸騰することを思い出しましょう
- 状態が変化している間は温度が変わらないことを説明しましょう。
使い方
- 1「加熱開始」を押します。温度計の目盛りが0 °Cに達するまで上がるのを見ましょう。氷と粒子には何が起こりますか？
- 2氷が溶けている間も加熱を続けます。温度を見てください。フラスコの中にまだ氷がある間、温度は上がりますか？
- 3水を100 °Cまで加熱します。泡の様子を説明しましょう。泡の中には何が入っていますか？
- 4水が沸騰している間、風船を観察しましょう。フラスコに何も加えていないのに、なぜ風船はふくらむのでしょうか？
- 5ホットプレートを「冷却」に切り替えます。動画を逆再生しましょう。水蒸気はどこへ行き、氷はいつ再び現れますか？
- 6加熱曲線を見ましょう。氷を溶かすときと、水を沸騰させて蒸発させるときでは、どちらのほうが多くの熱が必要ですか？
モデル
前提条件
- フラスコは風船で密閉されているため、水は外に出ず、水蒸気は通常の大気圧に保たれます。
- ホットプレートからの熱はすべて水に伝わるものとします。実際の実験室では、熱の一部が空気やガラスに逃げます。
- 使用した値：氷の比熱は 2.1 J/(g·°C)、水は 4.18、蒸気は 2.0。氷を溶かすのに 334 J/g、水を沸騰させるのに 2257 J/g が必要です。
- 粒子の図では、それぞれの粒子を小さな球として表しています。これはモデルです。実際の水分子は小さすぎて見ることができず、その数もはるかに多くあります。
授業で試してみましょう
- Q1アイスクリームは手の中では溶けますが、冷凍庫の中では溶けません。何が違うのでしょうか？
- Q2水たまりは、100 °Cに達することなく、晴れた日に消えてしまいます。水はどこへ行ったのでしょうか？
- Q3冷たいジュースの入ったグラスの外側に、水滴がつくのはなぜでしょうか？
- Q4やかんの上に見える白い雲が水蒸気なのでしょうか？その雲の正体を説明してください。
- Q5鍋の水を沸騰させるより、沸騰させてから水がなくなるまでのほうが、ずっと時間がかかるのはなぜでしょうか？
よくある質問
氷が溶けている間、温度が上がらなくなるのはなぜでしょうか？
氷の中では、粒子は一定のパターンで結びついています。溶けるということは、そのパターンが崩れることです。ホットプレートからの熱は、粒子をより速く動かすのではなく、そのパターンを崩すために使われます。氷がすべて溶けて初めて、温度が再び上がり始めます。
沸騰と蒸発の違いは何ですか？
どちらも液体の水を気体に変えます。蒸発は、温度にかかわらず表面でゆっくり起こります。沸騰は液体全体で100 °Cで起こるため、底から水蒸気の泡ができます。
水蒸気は目に見えますか？
いいえ。気体になった水である本当の水蒸気は目に見えません。やかんの上に見える白い雲は、水蒸気が空気中で冷えてできた小さな液体の水滴です。
水はいつも100 °Cで沸騰しますか？
海面と同じ通常の気圧のときだけです。高い山では気圧が低いため、水はより低い温度で沸騰します。エベレストの頂上では約70 °Cです。