中学理科中学1年生物質・化学

状態変化とは（固体・液体・気体）｜融点・沸点と体積の変化【中1理科】

中1理科の「状態変化」を粒子モデルで図解。温度で粒子の運動とすきまが変わるしくみ、融点・沸点でグラフが平らになる理由、状態変化で質量は変わらず体積だけ変わること（水は氷になると体積がふえる例外）まで、図と例題でやさしくわかります。

「水を冷やすと氷、あたためると水蒸気。見た目はぜんぜんちがうのに、ぜんぶ同じ“水”ってどういうこと？」——そのナゾを解くカギが状態変化です。温度で何が変わって、何が変わらないのか。粒子（つぶ）の動きで見れば、すっきりわかります。

状態変化とは（まず結論）

たとえば氷（固体）→水（液体）→水蒸気（気体）は、すべて同じ水。砂糖が燃えて別のものに変わるような「化学変化」とはちがい、状態変化は同じ物質のまま、すがたが変わるだけです。

どうして温度で固体・液体・気体に変わるの？

物質は、目に見えないほど小さな粒子（つぶ）の集まりです。あたためると、粒子は激しく動きまわろうとして、おたがいのすきまが広がります。この動きの激しさとすきまのちがいが、固体・液体・気体のちがいです。

• 固体：粒子が規則正しくびっしり並び、その場で小さくふるえるだけ。形も体積も変わらない。
• 液体：粒子がふれあったまま動けるので、入れ物に合わせて形が変わる。
• 気体：粒子がばらばらに飛びまわり、すきまがとても広い。自由に広がる。

あたためる（熱を加える）と、粒子の運動が激しくなって、固体→液体→気体の順にすきまが広がっていく、というわけです。

セナ

あたためると粒子そのものが大きくなって、ふくらむんじゃないの？

ホクト先生

いいところに気づいたね。でも、粒子1つ1つの大きさは変わらないんだ。変わるのは「動きの激しさ」と「粒子どうしのすきま」。すきまが広がるから、全体としては体積がふえる。粒子の数も種類もそのままだから、別の物質には変わらないんだよ。

融点・沸点と、温度が平らになるグラフ

固体がとけて液体になりはじめる温度を融点、液体がわいて気体になりはじめる温度を沸点といいます。水なら融点 $0$ ℃、沸点 $100$ ℃です。

ふしぎなことに、状態変化しているあいだは、加熱しても温度が上がりません（一定のまま）。加えた熱が「温度を上げる」のではなく「状態を変える」ことに使われるからです。だからグラフは、融点・沸点のところで平らになります。

平らな区間①（$0$ ℃）では氷と水が混ざり、固体→液体へ。平らな区間②（$100$ ℃）では水と水蒸気が混ざり、液体→気体へ。この「平ら」が、状態変化が起きているサインです。

状態変化で「質量」と「体積」はどうなる？

ここが一番のポイントです。状態変化では質量（重さ）は変わりません。粒子の数も種類も変わらないからです。一方で体積は変わります。粒子のすきまが変わるからです。

多くの物質は、固体→液体→気体の順に体積がふえます（気体がいちばん大きい）。ところが水はちがいます。水が氷（固体）になると、体積がふえるのです。

氷の粒子は、すきまの多い特別な並び方をするため、同じ質量でも体積が大きくなります（だいたい $1.1$ 倍ほど）。質量は同じで体積がふえる＝氷の密度は水より小さい。だから密度のページで学んだとおり、氷は水に浮くのです。

よくある間違い

やってみよう（練習問題）

状態変化は、粒子の動きという1つの見方で、氷・水・水蒸気のちがいも、グラフが平らになる理由も、ぜんぶ説明できます。「変わるのはすきま、変わらないのは質量」——この2つを覚えておけば、もう迷いません。