状態変化と粒子・融点・沸点・蒸留

状態変化で粒子の数は変わらず粒子の間隔や運動のようすが変わることを説明でき、融点・沸点の表からある温度での状態を判定し、蒸留で沸点の低い物質が先に多く出てくることや装置の注意点を答えられる

前提

実験器具の使い方と安全（中学理科化学分野の用語と知識）

説明

物質は温度によって固体・液体・気体とすがたを変えます。これを状態変化といい、このとき物質をつくる粒子の数は変わらず、粒子の間隔や動き方だけが変わります。この技能を身につけると、状態変化で質量や体積がどうなるかを粒子で説明でき、融点・沸点の表からある温度での物質の状態を判断でき、さらに沸点のちがいを利用して液体の混合物を分ける蒸留の実験について答えられるようになります。

なぜそうしてよいのか

物質は目に見えない小さな粒子が集まってできています。固体では粒子がすき間なく規則正しく並び、その場でふるえるように動いているだけです。温度が上がると粒子の動きが激しくなり、並び方がくずれて粒子どうしが位置を入れかえながら動けるようになったのが液体です。さらに温度が上がると、粒子は飛び回るように自由に動き、粒子の間隔がとても大きくなります。これが気体です。状態変化では粒子が新しくできたり消えたりするわけではないので、粒子の数は変わらず、そのため質量は変わりません。一方、粒子の間隔が変わるので体積は変わります（多くの物質では固体→液体→気体の順に体積が大きくなりますが、水は例外で、氷になると体積が大きくなります）。

固体がとけて液体になるときの温度を融点、液体が沸騰して気体になるときの温度を沸点といいます。純粋な物質（1 種類の物質）では、とけている間や沸騰している間は加えた熱が状態変化に使われるため温度が一定に保たれ、融点・沸点は物質ごとに決まった値になります。だから、ある温度が融点より低ければ固体、融点と沸点の間なら液体、沸点より高ければ気体と判断できます。

混合物の液体を加熱すると、沸点の低い物質のほうが気体になりやすいので、出てくる気体には沸点の低い物質が多く含まれます。その気体を冷やして再び液体にして集めるのが蒸留です。たとえば水（沸点 $100^{\circ} C$ ）とエタノール（沸点 $78^{\circ} C$ ）の混合物を加熱すると、はじめに出てくる液体にはエタノールが多く含まれます。

手順

問われているのが粒子のようすなら、「粒子の数は変わらない（質量は変わらない）」「粒子の間隔と運動のようすが変わる（体積が変わる）」の 2 点で考える
ある温度での状態を判定するときは、表からその物質の融点と沸点を読みとる
温度を比べる: 温度 $<$ 融点なら固体、融点 $<$ 温度 $<$ 沸点なら液体、沸点 $<$ 温度なら気体と判定する（マイナスの温度の大小に注意する）
蒸留の問題では、沸点の低い物質ほど先に多く出てくることを使う（水とエタノールなら、はじめはエタノールを多く含む液体が出る）
蒸留の装置では、沸騰石を入れて急な沸騰を防ぐ、温度計の液だめ（球部）は枝付きフラスコの枝の付け根の高さにして出ていく気体の温度をはかる、ガラス管の先が試験管にたまった液体につかっていないことを確かめてから火を消す（逆流を防ぐ）、という注意点を確認する

例題

次の表は、物質ア〜エの融点と沸点をまとめたものである。 $20^{\circ} C$ で液体であるものを、ア〜エから 1 つ選べ。

物質	融点〔℃〕	沸点〔℃〕
ア	$- 218$	$- 183$
イ	$- 115$	$78$
ウ	$81$	$218$
エ	$1538$	$2862$

例題の解答

手順 2: 表から各物質の融点と沸点を読みとる。

手順 3: $20^{\circ} C$ と比べる。
- ア: 沸点 $- 183^{\circ} C$ より $20^{\circ} C$ のほうが高いので、気体。
- イ: 融点 $- 115^{\circ} C$ $<$ $20^{\circ} C$ $<$ 沸点 $78^{\circ} C$ なので、液体。
- ウ: 融点 $81^{\circ} C$ より $20^{\circ} C$ のほうが低いので、固体。
- エ: 融点 $1538^{\circ} C$ より $20^{\circ} C$ のほうが低いので、固体。

よって、 $20^{\circ} C$ で液体であるのはイである。

答え:

イ

よくある誤り

状態変化で質量も変わるとしてしまう誤り。正しくは、粒子の数は変わらないので質量は変わらず、変わるのは粒子の間隔による体積である（例: 液体のロウ $10 g$ が固体になっても $10 g$ ）。
状態変化で粒子そのものが大きくなったり小さくなったりするとしてしまう誤り。正しくは、粒子の大きさは変わらず、粒子どうしの間隔と運動のようすが変わる。
マイナスの温度の大小をとりちがえる誤り。たとえば融点 $- 115^{\circ} C$ の物質を「 $20^{\circ} C$ より融点が高いから固体」としてしまう。正しくは $- 115 < 20$ なので、 $20^{\circ} C$ は融点より高く、沸点 $78^{\circ} C$ より低いので液体である。
水とエタノールの混合物の蒸留で、はじめに水が多く出てくるとしてしまう誤り。正しくは、沸点の低いエタノール（ $78^{\circ} C$ ）のほうが水（ $100^{\circ} C$ ）より気体になりやすいので、はじめはエタノールを多く含む液体が出てくる。また、混合物なので沸騰中も温度は一定にならず、ゆるやかに上がり続ける。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
下の表は、5 種類の物質ア〜オの融点と沸点をまとめたものである。
物質融点〔℃〕沸点〔℃〕
ア　酸素 $- 218$ $- 183$
イ　水銀 $- 39$ $357$
ウ　エタノール $- 115$ $78$
エ　塩化ナトリウム $801$ $1413$
オ　鉄 $1538$ $2862$
温度が 20 ℃ のとき液体の状態であるものを、表のア〜オからすべて選べ。

物質	融点〔℃〕	沸点〔℃〕
ア　酸素	$- 218$	$- 183$
イ　水銀	$- 39$	$357$
ウ　エタノール	$- 115$	$78$
エ　塩化ナトリウム	$801$	$1413$
オ　鉄	$1538$	$2862$

この技能を使う問題

	におい	火を近づけたとき
A	エタノールのにおいが強い	よく燃えた
B	エタノールのにおいが少しする	少し燃えた
C	ほとんどにおいがしない	燃えなかった

難易度 3（公立高校入試の標準レベル）

固体のロウ（パラフィン）を使って、次の実験を行った。

実験　ビーカーに固体のロウを入れて加熱し、すべてとかして液体にした。加熱をやめてから、ビーカーごと電子てんびんで質量をはかり、液面の高さにビーカーの外側から油性ペンで印をつけた。そのまま室温で放置すると、ロウは冷えてすべて固体になった。

結果は次の表のようになった。

	液体のとき	固体になったあと
ビーカーごとの質量	$152.0 g$	$152.0 g$
ロウの表面のようす	平らで、印の高さにあった	中央がくぼみ、全体として印より低くなった

この実験の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。ただし、実験の間にロウが蒸発したり、ビーカーの外にこぼれたりすることはなかったものとする。

ア　液体から固体になると、ロウの粒子の数が減ったため、ロウの体積が小さくなった。
イ　液体から固体になると、ロウの粒子 1 個 1 個の大きさが小さくなったため、ロウの体積が小さくなった。
ウ　液体から固体になると、ロウの体積が小さくなったため、ロウの密度は小さくなった。
エ　液体から固体になると、ロウの粒子の数は変わらず、粒子どうしの間隔がせまくなったため、ロウの体積が小さくなった。
オ　液体から固体になると、ロウの質量が大きくなったため、ロウの密度は大きくなった。

難易度 4（公立高校入試の難問・私立高校入試レベル）
次の表は、純粋な物質 A〜E の融点と沸点を、1 気圧のもとで調べたものである。
物質融点〔℃〕沸点〔℃〕
A $- 39$ $357$
B $- 115$ $78$
C $63$ $351$
D $- 218$ $- 183$
E $801$ $1413$
次の文は、この表からわかることについて述べたものである。
「1 気圧のもとで、物質の温度を $- 50$ ℃ に保ったとき、液体の状態にある物質は（ a ）である。また、物質の温度を $80$ ℃ に保ったとき、液体の状態にある物質は（ b ）である。」
文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次の表のア〜オから 1 つ選べ。
a b
ア A と B A と B と C
イ B のみ A と B と C
ウ B のみ A と C
エ A と B A と C
オ B と D C と E

物質	融点〔℃〕	沸点〔℃〕
A	$- 39$	$357$
B	$- 115$	$78$
C	$63$	$351$
D	$- 218$	$- 183$
E	$801$	$1413$

	a	b
ア	A と B	A と B と C
イ	B のみ	A と B と C
ウ	B のみ	A と C
エ	A と B	A と C
オ	B と D	C と E

この技能の次に学べること

熱運動と絶対温度（高校物理熱と気体（知識））
加熱・冷却のグラフと状態変化（中学理科身のまわりの物質）
状態変化と質量・体積（中学理科身のまわりの物質）
蒸留と出てくる液体の成分（中学理科身のまわりの物質）
物質の分離・精製の方法（高校化学物質の構成と化学結合（知識））