高校化学基礎 物質の三態—状態変化を粒子の間隔と運動で説明する｜武蔵野個別指導塾

氷が溶けても水分子は大きくならない理由から、拡散と状態変化の見分け方まで粒子の運動をたどります。

よくあるのは、氷が溶けると水分子自体が大きくなると考え、粒子の絵に大きな丸を描く場面です。氷と液体の水は見た目が違いますが、どちらにも水分子があります。変化を読むときは、分子そのものと、分子どうしの並び方や動き方を分けて考えます。

固体、液体、気体という状態と、その間の変化を取り上げます。拡散も粒子の運動から考え、別の物質が生じる化学変化と区別します。状態図や蒸気圧は使いません。

問われ方を先に見る

定期テストでは、まず粒子の模式図から固体、液体、気体を判定する型があります。容器の中で粒子が整列しているか、近くに集まりながら位置を入れ替えるか、広い空間に散らばるかを読みます。丸の大きさが同じなら、異なる状態でも同じ種類の粒子を表す図として読めます。ただし絵は実物の縮尺ではなく、位置や運動の特徴を示すためのものです。

次に、加熱や冷却の前後に名前を付ける型があります。固体から液体なら融解、液体から気体なら気化です。逆向きの変化も、出発点と到着点を矢印の両端に書くと取り違えにくくなります。固体と気体の間の直接の変化も、途中に液体を勝手に挟まずに読みます。

もう1つは、においが広がる現象や変化の前後を説明する型です。拡散では粒子が運動すること、状態変化では物質の種類が変わらないことが判断の軸です。単に「熱で粒子が増える」と書くと、数と運動を混同します。何が変わり、何が変わらないのかを別々に答えましょう。

粒子の位置と動きを言葉にする

物質をつくる粒子は、分子、原子、イオンなど物質によって異なります。ここでは同じ種類の粒子を丸で示し、互いの距離と動きを考えます。図1のように、固体では粒子が互いに近く、一定の位置の付近で振動します。固体の粒子が静止しているわけではありません。

図1のように、液体でも粒子は互いに近くにありますが、位置を入れ替えながら動きます。そのため液体は容器に合わせて形を変えます。一方、固体は一定の形を保ちやすく、気体は容器の中に広がります。気体では粒子どうしの間隔が液体より一般にずっと大きく、粒子はさまざまな向きに運動します。矢印は運動の向きの例であり、実際の軌道を描いたものではありません。

粒子の間に何があるかを問われたら、粒子そのものと粒子の間の空間を区別します。気体が圧縮されやすいのは、粒子の間隔を縮められるためです。粒子そのものが小さくなるからではありません。容器の体積だけを見て、分子1個の大きさが変わったと結論しないことが大切です。

固体から液体への変化を融解、液体から固体への変化を凝固といいます。液体から気体への変化は気化で、気体から液体へは液化です。固体と気体が液体を経ずに直接移る変化は昇華と呼び、向きは文脈で明示します。名前を覚えるときは「何から何へ」を添えます。

一般に温度が上がると粒子の熱運動は激しくなりますが、状態変化の途中を一律に温度上昇と決めることはできません。たとえば一定の圧力で純物質が融解している間、熱を加えても温度が一定に保たれる場合があります。加えた熱と温度の読みを区別し、変化が終わったかどうかにも注意します。

また、固体から液体になると体積が必ず増えるという規則はありません。氷が溶けると、同じ質量の水は通常、氷より体積が小さくなります。水分子自体が縮むためではなく、分子の並び方が変わるためです。図1は三態の一般的な特徴を示す模式図で、氷と水の間隔の大小をそのまま表す図ではありません。

拡散とは、粒子が運動し、濃い部分から周囲へ広がっていく現象です。気体だけでなく液体中でも起こります。目に見える流れがなくても粒子は動いていますが、容器を揺らすなどして生じる流れによる混合とは分けて考えます。広がった後も粒子が止まるのではなく、運動は続きます。

基本例題：密閉容器の中の粒子を追う

問題 密閉した容器に、同じ種類の分子からなる液体が模式的に8個の分子で表されています。加熱後、その液体がすべて気体になりました。容器の外への出入りも化学変化もないものとします。気体になった後の分子数を整数で答え、分子1個の種類と、分子間の間隔の変化をそれぞれ述べてください。図は実物の数や縮尺を表しません。

図2のように、液体の8個を1個ずつ数えます。気体の絵に移るときも、同じ大きさの丸を同じ数だけ描きます。丸を大きくする操作は、気体への変化を表すためには必要ありません。

図2のように、変化前後の数を順に書くと次の通りです。

変化前の分子数 = 8個

出入りした分子数 = 0個

変化後の分子数 = 8 + 0 = 8個

答えは8個です。化学変化がなく、容器の外への出入りもないので、分子の種類は変わりません。液体より気体のほうが分子どうしの間隔は一般に大きくなります。式に使った「個」は分子の数の単位であり、容器の体積や質量の単位ではありません。

答えを場面に戻すと、気体側の8個を数え直しても液体側の8個と一致します。各丸を同じ分子として対応させれば、どの分子も消えたり増えたりしていません。分子の集合全体が占める空間と、1個の分子の大きさを別のものとして読めたことも確認できます。

もし容器が開いていれば、気体になった分子の一部が外へ移動することがあります。その場合、容器内の個数は減りえますが、外へ出た分まで含めて数える必要があります。この問題は密閉という条件を与えているので、外への移動を差し引きません。

もう一段考える：状態変化と別の物質の生成

問題 透明な密閉容器の中に、ある純物質Aの固体があります。加熱すると液体になり、さらに加熱すると気体になりました。どの段階でもA以外の物質は生じず、容器の外への出入りもありません。固体から液体、液体から気体への変化名を順に答え、それぞれが化学変化か状態変化かを選んでください。また、粒子の種類と運動について、それぞれ1文で説明してください。

まず変化の両端を書きます。固体 → 液体は融解、液体 → 気体は気化です。A以外が生じないという条件から、どちらも状態変化です。固体、液体、気体は物質名の違いではなく、同じAの状態の違いを示します。

粒子の種類は、3つの段階で同じです。運動については、固体では粒子が一定の位置の付近で振動し、液体では位置を入れ替えながら動き、気体では広い空間をさまざまな向きに運動すると説明できます。気体にするために加熱したことと、気体の粒子が静止していないことをつなげて読みます。

答えを条件に戻すと、融解後も気化後もAのままであり、「A以外の物質は生じない」と矛盾しません。粒子数についても、密閉され化学変化がないという条件の下では、外へ出たり別の粒子に変わったりしないと確認できます。変化名を逆向きに覚えていた場合は、固体を出発点にして矢印をたどり直します。

分かれ目は、見た目が変わったかどうかではなく、別の物質が生じたかどうかです。気体が発生したという観察だけでは、液体が気化した場合と、化学変化によって別の気体が生じた場合を区別できません。前後の物質の情報を問題文から探します。

誤答を粒子の絵から直す

「氷が溶けると水分子が大きくなる」という答えは、物質全体の形や体積と、分子1個の大きさを混ぜています。図3のように、同じ水分子を同じ大きさの丸で表し、分子の並び方が変わると直します。模式図の丸は分子の形そのものを精密に描いたものではありません。

図3のように、前後で丸の数と大きさをそろえると、水分子が別の物質に変わったという誤読を避けられます。氷の整った並びが崩れ、液体では分子が位置を入れ替えられるようになります。氷と水の体積の大小を、この少数の丸の絵の面積から計算してはいけません。

「固体の粒子は動かない」という誤答は、物体全体の形が変わりにくいことを、粒子の静止と取り違えています。固体の粒子も一定の位置の付近で振動すると修正します。一方、「気体の粒子には決まった方向がある」という答えは、模式図の矢印を全粒子の共通の向きと読んだ可能性があります。粒子はさまざまな向きに動くと書き直します。

「冷やせば必ず凝固する」という答えも条件不足です。冷却は温度を下げる操作であり、気体が液体になるなら液化です。出発状態と到着状態を先に押さえれば、操作の名前と変化の名前を分けられます。

練習：状態と粒子を読み直す

次の問題を先に解き、その後で答えを見てください。粒子の絵は模式図であり、容器からの出入りがないと指定した場合を除いて、数の保存を勝手に仮定しないで考えます。

問題

1. 密閉容器中の同じ種類の気体分子を、模式的に12個で表します。冷却してすべて液体にし、化学変化は起こりませんでした。変化名と液体中の分子数を整数で答え、気体と液体の分子の種類を比べてください。
2. 固体のヨウ素が液体を経ずに気体になる変化について、変化名を答えてください。また、物質の種類が変わるかどうかを選び、粒子の間隔の変化を説明してください。
3. 静かな部屋の一角で気体の香り成分が放出され、しばらくすると離れた場所でも感じられました。空気の大きな流れはないとします。この広がりの名称を答え、粒子の運動を使って1文で説明してください。
4. 次の記述ア〜エから正しいものを2つ選び、誤ったものはそれぞれ正してください。ア「固体の粒子は一定の位置の付近で振動する」。イ「液体の粒子は互いに近く、位置を入れ替えながら動く」。ウ「気化すると分子1個が必ず大きくなる」。エ「気体の分子は容器の中で静止する」。

答えと考え方

1. 液化、12個、種類は同じです。気体 → 液体という向きから液化と判断します。密閉され、化学変化もないので、液体の分子数 = 12 + 0 = 12個です。答えの12個を気体側に対応させて数え直すと、元の12個に戻ります。液体になって粒子の間隔が小さくなっても、分子数が減ったことにはなりません。
2. 昇華です。物質の種類は変わらず、固体から気体になると粒子間の間隔は一般に大きくなります。答えを場面に戻すと、固体のヨウ素と気体のヨウ素という同じ物質の状態を指し、途中に液体を置かずに説明できます。気体になったという外見の変化だけで、別の物質ができたと判断しないことが要点です。
3. 拡散です。香り成分の粒子が運動し、濃い部分から周囲へ広がるためです。答えを場面に戻すと、放出場所から離れた場所へ粒子が届いたことと一致します。空気の大きな流れがないという条件は、部屋全体の流れに運ばれたという説明を避けるためです。
4. アとイです。ウは「気化しても分子1個が必ず大きくなるわけではなく、一般に分子間の間隔が大きくなる」、エは「気体の分子はさまざまな向きに運動する」と直します。4つを順に見直すと、アは固体の振動、イは液体の位置の入れ替えに対応し、ウとエはその状態の特徴に反します。

覚えておくこと

固体の粒子は一定の位置の付近で振動します。液体の粒子は近くにあり、位置を入れ替えます。 気体の粒子は広く離れて動き、拡散は粒子の運動による広がりです。 状態変化では物質の種類は変わらず、変化名は前後の状態で決めます。 粒子1個の大きさと粒子間の間隔、物質全体の体積を分けて考えます。

説明が止まる場所を見つける

図を見て状態名は答えられても、丸1個が何を表すか説明できなければ、粒子と物体全体を混同しているかもしれません。固体と液体に同じ大きさの丸を描き、どこが変化したかを言葉にしてみましょう。次に、密閉かどうかを指さしてから個数を数えると、容器外への移動と粒子の生成を分けて考えられます。

個別指導で確かめるなら、まず学習者自身に変化の前後を矢印で結んでもらい、変化名の根拠を聞きます。答えが逆なら出発点に戻り、正しくても「粒子は止まるか」「別の物質はできたか」と続けると、暗記した名前と粒子の説明がつながっているか見えます。見た目の変化を粒子の配置と運動に結び直すことが、物質の三態を説明する道筋です。