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物体は3つの状態をもつ その3つとは 固体 、 液体 、 気体 の3つ状態です。 水で説明すると、 固体は氷、液体は水、気体は水蒸気 になります。 氷と水と水蒸気の違いは何か。それは 温度の違い です! 水は0℃で氷になり、100℃で沸騰して水蒸気になります。 このように、 温度によって固体⇔液体⇔気体と状態が変化すること を 状態変化 といいます。 ちなみに、固体から液体に変化せずに、一気に気体に状態変化をする物体もあります。 それはドライアイスです。 ドライアイスは溶けても水のような液体にならず、二酸化炭素として気体になる ため、ケーキの保冷剤として利用されています。 固体→液体の状態変化を融解、液体→固体を凝固 液体→気体を気化 (蒸発) 、気体→液体を 凝縮 固体→気体を昇華、その逆の気体→固体も昇華といいます。 固体、液体、気体の違いはなんだろう? 状態変化のポイントは温度 です。温度によって何が変わるのか? それは、 物体をつくっている粒子の運動が変わります! すべての物体(私たちの体も含めて)は粒子という小さな粒でできていて、その粒子は運動(動くこと)をしています! そして 温度が高いほど、激しく運動 します!この 運動の差が状態の違い です。 固体は規則正しく並んで いますが、わずかに振動しています。氷をイメージするとわかりやすいですが、水とは違い決まった形があるので、触ることができます。 液体はある程度自由に動く ため、ものを溶かすことができます。(拡散) 気体は激しく飛び回っています。 そのため水が水蒸気に変化すると体積が1000倍以上にもなります。 イメージはそれぞれ 固体 は教室に全員座っている 液体 は休み時間になって、友達と話したり、トイレに行ったりと少しバラバラになっている 気体 は業後になって、それぞれ家にバラバラに帰っている というような感じです。 体積は基本的に気体>>>液体>固体 というようになります! そのため、密度は固体>液体>>>気体というようになります!! が、 「水」は違います! 液体>固体>>>気体となります。実験をしてみましょう。 物体を状態変化させてみよう! 温めて液体にしたろう(ろうそく、パラフィンともいう)をビーカーの中に入れ、液体の状態でビーカーに油性ペンで線を引きます。このまま冷やして固体にすると、下の写真のように中央がへこんで体積が小さくなります。 ビーカーに入れたろうを固体に状態変化させた 固体に状態変化することで、粒子が密集して体積が小さく なるわけですね。 水の場合は冷やして固体(氷)にすると体積は少し大きくなります。これは、 水の粒子が規則正しく並ぶと、すき間の多い状態で並ぶので、自由に動ける液体の状態のほうが体積が小さくなるんです。 氷が水に浮くことからも氷のほうが密度が小さい(=体積が大きい) ことがわかります。凍らせたペットボトルは膨らんでますよね。 ちなみに、水は4℃の時に最も体積が小さくなります。 ※ ろうと同じ 実験を 行おうとして、 ビーカーに水を入れて凍らせると、水が膨張してガラスのビーカーが割れて危険なのでしないようにしましょう。 エタノール(お酒や消毒に含まれる)を袋に入れてから、お湯(78℃以上)で温めると袋が膨らみます。 これは、エタノールが液体⇒気体に状態変化を起こしているからです!
Top 液体が気体に変化する場合、体積は何倍になるかを計算してみる。 気体の体積は温度で大きく変化するので、沸点の時の体積とする。圧力は大気圧で一定とする。 水(H 2 O)の場合 水の分子量は 18 [g/mol]である。 液体の水の密度は 1 [g/cm 3] なので、1mol当りの体積は 18 [cm 3 /mol] である。 標準状態(1 atm, 0℃ = 273 K)の気体の体積は 22. 4 [L] である。 沸点 100℃ = 373 K における体積は、シャルルの法則から 22. 4 × 373 / 273 = 30. 6 [L] である。よって、液体から気体への変化した場合の体積の膨張率は、 30. 6 × 1000 / 18 = 1700 倍 である。 一般式 水以外の物質に一般化する。 物質の分子量を M [g/mol], 液体の密度を ρ [g/cm 3], 沸点を T [K] とすると、膨張率 x は x = ( 22. 4 × 1000 × ρ / M) × ( T / 273) 一般式 (別解) 気体の状態方程式 pV=nRT から計算することもできる。 気体定数を R=8. 314 [J/mol・K] とすると、気体 1 molの体積は V g = RT / p [m 3 /mol] 液体 1 mol の体積は、 V l = M / ρ [cm 3 /mol] よって体積の膨張率は、 x = 10 6 × V g / V l = ( 8. 314 × 10 6 / 101315) × ( T ρ / M) この式は上式と同じである。 計算例 エタノール (C 2 H 6 O) の場合 分子量 46, 密度 0. 789 [g/cm 3], 沸点 78 [℃] = 351 [K] なので、 x = ( 22. 4 × 1000 × 0. 789 / 46) × (351 / 273) = 494 倍 ジエチルエーテル (C 4 H 10 O) の場合 分子量 74, 密度 0. 713 [g/cm 3], 沸点 35 [℃] = 308 [K] なので、 x = ( 22. 713 / 74) × (308 / 273) = 243 倍 水銀 (Hg) の場合 分子量 201, 密度 13. 5 [g/cm 3], 沸点 357 [℃] = 630 [K] なので、 x = ( 22.