中学受験理科の水の状態変化—加熱と冷却のグラフから姿の変化を読み取る｜武蔵野個別指導塾

白い湯気と目に見えない水蒸気を区別し、温度が横ばいの区間から水の状態変化を読みます。

水の状態変化を読むときは、まず「何が見えるか」と「水がどの姿で存在するか」を分けます。その上で、温度の変化を時間順に追い、氷と水が同時にある区間や、水が水蒸気に変わる区間を探します。容器の内外を区切れば、重さの問題にも順序よく取り組めます。

よくあるのは、白い湯気を見た小4のお子さまが、それを気体の水そのものと答える場面です。白く見える部分は、気体の水蒸気が冷えてできた細かい水のつぶです。水蒸気そのものは目に見えません。見える白い部分と、そこへ至る前の見えない気体を分けて考えましょう。

問題の出方には、見えるものの名前を選ぶ型、温度と時間の表やグラフから状態を答える型、容器から出入りする水を考えて重さを比べる型があります。どの型でも、姿が変わっても水は水であることを出発点にします。ただし、姿が同じでも温度が変わることや、水が容器の外へ出れば容器の中の重さが変わることには注意します。

水の3つの姿を分ける

氷は固体、水は液体、水蒸気（すいじょうき）は気体です。固体から液体になることをとける、液体から固体になることをこおるといいます。液体が気体になる変化は蒸発（じょうはつ）、気体が液体になる変化は凝結（ぎょうけつ）といいます。水面からの蒸発は沸騰（ふっとう）していないときにも起こります。

図1のように、氷と水、水と水蒸気の間には、それぞれ逆向きの変化があります。氷がとけても別の物質になったわけではありません。水蒸気も水の気体の姿です。冷たいものの表面に水滴（すいてき）ができる場合も、空気中の水蒸気が冷えて液体になったと考えます。

沸騰は液体の内部からも水蒸気のあわが生じる現象です。あわが水面へ上がり、外へ出ます。水面から静かに蒸発する場合とは、液体の内部にあわが生じるかどうかが異なります。白い湯気は、出てきた水蒸気が周囲で冷えて細かい水のつぶになったもので、あわの中の水蒸気と同一の姿ではありません。

温度を横軸に置くのか、時間を横軸に置くのかは図ごとに確認します。以下は横軸が時間、縦軸が温度です。加熱や冷却を続けても温度がしばらく変わらない部分は横ばいになります。氷がとけている間には氷と水が共存し、水がこおっている間にも水と氷が共存します。横ばいは変化が止まった印ではなく、状態が変わっている途中を示す場合があります。

水の沸騰する温度は圧力などの条件によって変わります。数値を使う問題では、その条件と与えられた温度を読みます。氷がとける温度も、ここでは問題に示された条件で判断します。温度の値を見ただけで、全部が水か全部が氷かを決めず、時間順の変化も合わせて見ます。

表から加熱の順序を追う

次は紙の上の観察記録です。ある条件で氷を一定の強さで加熱し、温度と状態を調べました。表の区間では水が外に出ないとします。観察された状態と温度は、次の表に示すものとします。答えは状態の名前と整数の分で書きましょう。

氷と水が共存している記録はどれでしょうか。また、2分から6分までの時間は何分でしょうか。図2の線は、この表の温度を順に結んだものです。

図2では、横方向の位置で時間を、縦方向の位置で温度を読みます。2分と4分の行に「氷と水」とあるので、この2つの時刻には両方が存在します。6分の行は「水」ですから、その時刻には氷は残っていません。横ばい区間の始まりと終わりは同じ状態とは限らず、表の観察欄まで読むことが必要です。

時間の差は終わりから始まりを引きます。

6分 − 2分 = 4分

答えは、共存の記録が2分と4分、時間の差が4分です。2分から6分の間は温度が変わらなくても、氷がとけ進んでいます。6分以後は水の温度が上がります。表の時刻の間で状態がどの瞬間に切り替わったかまでは記録から決められません。与えられた記録と、そこから言えることを区別しましょう。

表とグラフを行き来すると、線の意味を確かめやすくなります。時刻を1つ選んで表の温度を読み、同じ時刻の点が線のどこにあるか指でたどります。次に状態欄を見れば、その点で何が存在するかがわかります。点と点の間について観察の記録がない場合は、記録にない細かな時刻まで決めないようにします。線が同じ高さにある時間の長さと、その間に観察した状態はそれぞれ別々に読み取ります。

縦軸の読み取りにも気を配ります。8分の4℃は水の温度であり、氷がとけ終わる温度を表していません。温度が上がっている線だけを見て状態を決めず、まず表の状態欄と合わせます。線が横ばいだから加熱を止めたと考えるのも誤りです。問題では加熱を続けていると与えられています。

容器の内側と外側で答えを分ける

次の問題では、容器と水を合わせて300gありました。容器は加熱しても重さが変わらず、水以外の物の出入りもないものとします。水が気体になっても容器を十分に冷まして測ることとし、容器の変形や破損は考えません。各問は整数のgで答えます。

まず、密閉した容器に入れた水を加熱し、冷ましてから容器ごと測ると何gでしょうか。次に、別の同じ条件で、ふたのない容器から水の一部が水蒸気として外へ出ました。出た水の重さは12gです。冷ました後の容器と残った水の重さは何gでしょうか。

密閉した場合、水が気体の姿になっても外へ出ません。容器と中身を合わせた範囲に、水は全部残っています。したがって、答えは300gです。温度が変わり、液体と気体の割合が変わっても、測る範囲から水が出入りしないことが根拠です。

ふたのない場合は、水蒸気が測る範囲の外へ出ています。出た重さを、初めの容器と水の合計から引きます。

300g − 12g = 288g

答えは288gです。水蒸気に重さがないから減ったのではなく、水蒸気が容器の外へ移ったために、容器と残った中身の重さが減りました。外へ出た分まで含めて考えれば、出入りのない範囲全体の水の重さは変わりません。

分かれ目は、見えなくなったかどうかではなく、測る範囲を横切って水が移動したかどうかです。密閉した容器であっても容器の中の液体だけを測れば、蒸発した分は液体の重さに含まれません。問題で何を合わせて測るのかに印を付けてから計算しましょう。

体積は重さと別に考えます。同じ水の重さでも、液体の水が氷になると体積は大きくなります。水蒸気になると体積は大きく変わりますが、気体の体積は温度や圧力、入れ物の条件にも左右されます。「重さが同じだから体積も同じ」とは言えません。反対に、体積が変わったことだけを根拠に、物が増えたり減ったりしたとも言えません。

間違えた答えを立て直す

図3は、見た目と記録の読み違いを直すための対比です。答えを直す際には、どの観察や条件に戻るかを示します。

図3の左側で「白い湯気は水蒸気」と答えた場合は、見える部分を気体そのものと取り違えています。白い部分は細かい液体の水です。見えない水蒸気が冷えて水滴になった、と変化の順に言い直します。目に見えないところに水がない、と決めないことも必要です。

右側で「横ばいは変化なし」と答えた場合は、温度と状態を同じものとして扱っています。温度が一定でも氷が水に変わることがあります。横ばいの前後の状態と、問題にある加熱や冷却の条件を確かめます。温度が変わらないという観察と、状態が変わらないという判断を分けましょう。

もう一つの誤りは、ふたのない容器の水が減る場面で、姿が変わっただけだから容器内の重さも必ず同じとすることです。水蒸気が外へ出たなら、その分は容器内に残りません。どこまでを測るかを囲み、囲みを越えた水を数えると直せます。逆に密閉容器全体を測る問題で、目に見えない分を勝手に引いてはいけません。

冷却の問題でも、横ばいを見つけた後の向きに注意します。加熱では氷から水へ進んだ区間も、冷却では水から氷へ進みます。前後を入れ替えると変化の名前も逆になります。横ばいという形だけで「とけている」と固定せず、時間の始めからたどります。

練習問題

次の記録はそれぞれ独立した問題です。数値は各問題の条件として与えられています。温度や時間は示された条件で読み、数値を答える場合は整数と指定された単位で書きましょう。

問1

冷たい板の表面に、周囲の空気に含まれていた水蒸気から水滴ができました。水滴の状態と、そこへ至る変化の名前を答えましょう。

問2

ある条件で水を冷やした記録は次のとおりです。3分と5分にはどの状態が共存していますか。また、3分から7分までの時間の差を整数の分で答えましょう。

問3

密閉容器とその中の氷の重さは合わせて240gです。氷を全部とかし、容器と中身を合わせて測りました。容器の破損も中身の出入りもありません。重さを整数のgで答え、体積について液体の水と氷のどちらが大きいかも答えましょう。

問4

ふたのない容器と水の重さが合わせて190gでした。水以外の物は出入りせず、水蒸気として外へ出た水の重さは15gです。容器の重さは変わらず、冷ました後も他の水の出入りはありません。容器と残った水の重さを整数のgで答えましょう。

答えと考え方

問1の答えは、液体の水、凝結です。空気中の水蒸気は気体の水です。冷たい板の近くで冷え、液体の水滴になりました。水滴が見えるからといって、もとの水蒸気も白く見えると考えてはいけません。

問2の答えは、水と氷、4分です。3分と5分の状態欄をそれぞれ見ると、両方に水と氷が書かれています。7分の欄は氷です。時間の差は次のように求めます。

7分 − 3分 = 4分

温度は3分から7分まで同じですが、その間に水がこおり進みます。9分では氷の温度がさらに下がっています。冷却の順に読むことで、加熱のときと逆の変化だと判断できます。

問3の答えは240g、体積が大きいのは氷です。氷が水に変わっても、密閉容器と中身を合わせた範囲に水は残ります。姿の変化によって重さを引いたり足したりする必要はありません。一方、同じ重さの水を比べると、氷の体積は液体の水より大きいことを使います。重さと体積を別々に答える問題です。

問4の答えは175gです。測る範囲は容器と残った水で、外へ出た水蒸気はその範囲に含まれません。出た分を初めの重さから引きます。

190g − 15g = 175g

気体になった水にも重さがあります。外へ出た水まで含めれば、移動した分を見失わずに考えられます。容器の重さが変わらないことと、他の出入りがないことも答えの条件です。

覚えておきたい見取り図

氷は固体、水は液体、水蒸気は見えない気体です。白い湯気は細かい水滴です。
横ばいでは、温度が一定でも状態が変わることがあります。前後の状態を読みます。
密閉した範囲では水の重さは変わらず、体積は状態によって変わります。
水が外へ出る場合は、測る範囲から出た重さを考えます。

お子さまの説明を聞くとき

お子さまが白いものを水蒸気と呼んだら、すぐに名前を言い直す前に「白く見えるのはどの部分」と尋ねてみてください。見える水滴と見えない水蒸気を指し分けられるかで、言葉の混同が見えてきます。図1へ戻り、気体から液体へ変わる向きをたどれば、湯気の説明を自分の言葉で組み立てられます。

グラフで迷うときは、答えを教える前に横軸と縦軸を指してもらいます。次に時間の早い方から状態を書き、横ばいの前後を比べます。重さの問題なら、容器全体か中の液体かを囲み、水がその境界を越えたかを確かめます。見える姿、温度、測る範囲を分けると、水の変化を順番に追えます。