高校化学 物質の三態—定期テストで粒子の配列と熱の出入りから状態変化を説明する｜武蔵野個別指導塾

加熱曲線の水平部分を粒子と熱の出入りに結びつけ、融解や蒸発を考えます。焦点は物質の三態です。

よくあるのは、固体を加熱する記録を見て、熱を加え続けているのに温度が止まる理由を説明できないという場面です。まず学校の範囲表で物質の状態のどこまでが対象かを見て、授業ノートの加熱曲線と小テストの用語を照合してください。横ばいの区間を見つけても、そこで何が混ざり、受け取った熱が何に関係するかまで言えなければ、説明問題では手が止まります。

学習指導要領の化学には物質の状態と溶液が含まれますが、実際に授業で扱った順序や範囲は手元の資料で確かめます。ここでは三態、融解と蒸発、加熱曲線を扱います。蒸気圧の詳しい扱いは別の範囲です。

問われ方を先に見分ける

出方の1つは、固体・液体・気体の粒子の並び方や動きを説明する問題です。図で粒子の間隔や規則性を読み取り、粒子そのものが消えたり別の種類になったりしたと考えないことが出発点です。状態変化は同じ物質の状態が変わることであり、化学変化とは区別します。

もう1つは、加熱曲線の各区間にある状態と、温度が一定の区間の意味を答える問題です。横軸が時間か加えた熱量か、縦軸が温度かを読み、曲線が水平になる区間と傾く区間を分けます。純物質を一定の圧力でゆっくり加熱するという条件があるかも確かめます。

さらに、与えられた比熱や融解熱から必要な熱量や時間を求める問題があります。温度を上げる部分と状態を変える部分は別々に計算します。熱が一定の割合で試料に伝わると与えられた場合は、熱量を1秒あたりの熱量で割って時間に直せます。条件が欠けるときは、図の形だけから数値を決められません。

粒子の並びと熱の行き先

固体では粒子が互いに近い位置にあり、一定の位置の周りで振動しています。結晶性の固体では規則的な配列が見られます。液体でも粒子は近くにありますが、互いの位置を変えながら動けるため、容器に応じて形が変わります。気体では粒子の間隔が液体に比べて大きく、粒子が広い空間を動きます。図1のように、粒子の大きさを変えるのでなく、配列や間隔の違いに注目します。

図1の矢印は、固体から液体への融解と、液体から気体への気化を表します。逆向きはそれぞれ凝固と液化です。固体と気体の間を液体を経ずに移る変化は昇華と呼びます。三態のいずれでも粒子は運動しており、固体の粒子が静止しているわけではありません。

融解や気化では熱を吸収します。逆に凝固や液化では熱を放出します。純物質が一定の圧力で融解している間は、固体と液体が共存し、状態変化が終わるまで温度は一定です。吸収した熱は粒子間の引力に逆らって配列を変えることに使われるため、加熱が無駄になったわけではありません。一定温度で熱を受け取る区間と、温度が上がる区間を区別して説明します。

液体の表面から粒子が気体になる蒸発は、沸点より低い温度でも起こります。沸騰は液体の内部にも気泡が生じる気化です。蒸発と沸騰をともに気化と呼びますが、蒸発のたびに液体全体の温度が沸点に達しているわけではありません。沸点は圧力に依存するため、温度を読む際には圧力の条件を添えます。

基本例題：固体を溶かして液体を温める

ある純物質20 gを一定圧力で加熱します。初めは10 ℃の固体で、融点は30 ℃です。固体の比熱を1.0 J/(g・℃)、融解熱を40 J/g、液体の比熱を2.0 J/(g・℃)とします。加えた熱はすべて試料に伝わり、試料は各段階で一様な温度にあるものとします。完全に溶かした後、液体を40 ℃にするまでの熱量を、各段階と合計について整数のJで求めてください。熱による損失は考えません。

図2のように、最初の傾いた区間は固体の温度上昇、水平区間は融解、次の傾いた区間は液体の温度上昇です。横軸は試料が受け取った熱量です。融点を越える前に固体が溶け終わるまでの熱を数える必要があります。

まず固体の温度差は30 − 10 = 20 ℃です。温度を上げる熱量は、質量、比熱、温度差を掛けます。

20 g × 1.0 J/(g・℃) × 20 ℃ = 400 J

次に、30 ℃の固体20 gを同じ温度の液体に変える熱量は、質量に融解熱を掛けます。

20 g × 40 J/g = 800 J

ここまでに受け取った熱量は400 + 800 = 1200 Jです。融解の途中は固体と液体が共存し、温度は30 ℃のままです。最後に液体の温度差40 − 30 = 10 ℃に対して計算します。

20 g × 2.0 J/(g・℃) × 10 ℃ = 400 J

したがって各段階は400 J、800 J、400 J、合計は400 + 800 + 400 = 1600 Jです。図2の折れ曲がりは累計400 Jと1200 Jに対応し、終点は1600 Jです。逆に各区間の差を取ると400 J、800 J、400 Jとなり、問題で与えた比熱と融解熱から求めた熱量に戻ります。質量は状態が変わっても20 gのままです。

熱量を計算するとき、融解中の温度差は0 ℃だから必要な熱も0 Jだとすると、融解熱を見落とします。反対に、最初から最後まで液体の比熱を使うと、固体の段階と融解の段階を正しく表せません。状態が変わる境目で計算を切ることが必要です。

少し難しい例題：途中で加熱を止めたら

別の純物質30 gは、一定圧力で20 ℃の固体です。融点は50 ℃、固体の比熱は2.0 J/(g・℃)、融解熱は60 J/gです。毎秒120 Jが試料に伝わり、試料は一様な温度にあるとします。加熱開始から20秒後の温度と固体・液体の質量を求めてください。温度は整数の℃、質量は整数のgで答えます。損失は考えません。

最初に融点までの熱量を求めます。温度差は50 − 20 = 30 ℃なので、30 × 2.0 × 30 = 1800 Jです。毎秒120 Jが伝わるため、融点に達するのは1800 ÷ 120 = 15秒後です。全部を溶かすにはさらに30 × 60 = 1800 Jが必要で、融点到達から15秒かかります。つまり加熱開始から30秒後に融解が終わります。

20秒後は15秒後と30秒後の間ですから、融解の途中です。受け取った熱量は120 × 20 = 2400 Jで、そのうち融解に使われた熱は2400 − 1800 = 600 Jです。溶けた質量は600 ÷ 60 = 10 g、残る固体は30 − 10 = 20 gです。答えは50 ℃、固体20 g、液体10 gです。

答えを場面に戻すと、固体20 gと液体10 gの合計は初めの30 gです。固体を融点まで温める1800 Jに、10 gを溶かす600 Jを足すと2400 Jとなり、20秒間に伝わった熱量に一致します。固体も液体も負の質量にはならず、融解途中という判断とも合います。

分かれ目は、加えた熱量が融点までの熱量に届く前か、融解中か、それとも融解終了後かです。仮に加熱を10秒で止めれば1200 Jで、融点に到達せず固体のままです。仮に35秒なら融解は終わっていますが、その後の温度を数値で求めるには液体の比熱が必要です。与えられていない値を推測して計算を続けないことも、条件の読み取りです。

曲線を読むときの条件

加熱曲線の横軸が時間の場合、同じ長さの区間に供給された熱量が等しいと言えるのは、試料に伝わる熱の割合が一定という条件があるときです。熱源の強さが変わったり、周囲へ逃げる熱を無視できなかったりすれば、時間の比をそのまま熱量の比にできません。グラフを読む際は軸の単位と加熱の条件を先に確認します。

冷却する場合は熱の出入りの向きが逆になります。一定圧力の純物質が凝固している間は液体と固体が共存し、熱を放出しながら温度が一定です。加熱時の融解と同じ温度で状態が入れ替わるという条件を問題が与える場合には、両方の曲線の水平部分を対応させられます。

誤答から原因を探す

「融解中は温度が一定だから熱は入っていない」という答えでは、温度と熱の出入りを同じものとして扱っています。図3のように、温度が止まる間にも熱は入り、固体と液体の割合が変わります。純物質、一定圧力、融解中という条件を添え、粒子間の引力に逆らう変化に熱が関係すると書き直します。

「気体になると粒子が大きくなる」という答えも、図に描いた粒子の間隔を粒子そのものの大きさと取り違えています。同じ物質なら粒子の種類を保ち、気体では粒子間の距離が大きいと修正します。図の丸の数を途中で増減させないように描き直すと、質量保存の見落としにも気づけます。

「水面からの蒸発は沸点に達した証拠」という答えには、蒸発と沸騰の混同があります。表面で起こる蒸発は沸点未満でも起こり、内部に気泡ができる沸騰とは区別します。また、混合物を一定圧力で加熱した記録に、純物質の水平区間をそのまま当てはめることもできません。まず問題文の物質と圧力を確認します。

手を動かす問題

次の問題では、熱による損失を考えず、試料は一様な温度にあるものとします。計算値は問題ごとに与えた条件であり、実測値ではありません。答えはまとめて後に置きます。

1. 一定圧力で純物質の固体が融解しているとき、共存する状態と温度が一定である理由を、それぞれ短い文で答えてください。加熱は続いています。
2. 一定圧力で15 gの純物質の固体を5 ℃から25 ℃の融点まで温め、完全に融かします。固体の比熱は2.0 J/(g・℃)、融解熱は80 J/gです。各段階と合計の熱量を整数のJで求めてください。
3. 一定圧力で融点にある純物質の固体40 gに900 Jを伝えました。融解熱は30 J/gです。温度と固体・液体の質量について、温度は融点との関係で、質量は整数のgで答えてください。
4. ある液体を一定圧力で加熱する観察で、沸騰前から液面の高さが少しずつ下がりました。起きている気化の種類を1語で答え、沸騰との違いを短い文で説明してください。液体の漏れはありません。

答えと道筋

1. 固体と液体が共存します。受け取った熱が粒子間の引力に逆らって配列を変えることに関係するため、融解が終わるまで温度は一定です。固体が残りながら液体が増える場面なので、共存する2つの状態を答えに戻して確かめます。熱の流入がないという説明では、加熱を続ける条件に合いません。

2. 温度差は25 − 5 = 20 ℃です。固体を温める熱量は15 × 2.0 × 20 = 600 J、融解する熱量は15 × 80 = 1200 Jです。合計は600 + 1200 = 1800 Jです。逆に600 ÷ (15 × 2.0) = 20 ℃で指定された温度差に戻り、1200 ÷ 80 = 15 gで融かした質量にも戻ります。各段階で質量は15 gです。

3. 全量の融解に必要な熱量は40 × 30 = 1200 Jです。900 Jはそれより小さいので融解途中であり、温度は融点のままです。液体の質量は900 ÷ 30 = 30 g、固体の質量は40 − 30 = 10 gです。30 × 30 = 900 Jと10 + 30 = 40 gを確かめると、与えられた熱量と初めの質量に戻ります。両方の質量は負ではありません。

4. 蒸発です。液面から粒子が気体になっており、液体の内部にも気泡を生じる沸騰とは区別します。沸騰前にも蒸発は起こるので、観察の条件と答えは矛盾しません。漏れがないという条件は、液面が下がる別の原因を除くためにあります。

覚えておくこと

固体・液体・気体では粒子の配列や間隔が異なります。
純物質の融解中は一定圧力で温度が一定でも熱を吸収します。
温度を変える熱量と状態を変える熱量を分けます。
蒸発は沸点未満でも表面で起こります。

説明が止まった場所を確かめる

水平な線を見て「熱がない」と答えた場合は、まず温度と加えた熱量を別々に指で示せるかを確かめます。次に融解前、途中、後の粒子の配置を描き、固体と液体の量がどう変化するかを説明します。計算で止まった場合は、融点に届くまでと融解中の境界を書き、単位を添えて各熱量を別に求めます。

個別指導では、本人が書いた式のどの数字が質量、比熱、温度差に当たるかを一緒に確認できます。融解熱を掛ける段階で温度差を使っていないか、答えを質量と熱量の条件に戻せるかも見ます。加熱曲線の横ばいは、粒子の変化を説明する手がかりです。