固体の物質 X を試験管に入れ、湯の中で一定の強さで加熱しながら、2 分ごとに温度をはかりました。結果は次の表のとおりです。
| 加熱した時間〔分〕 | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 温度〔℃〕 | 20 | 41 | 63 | 63 | 63 | 63 | 72 | 81 |
加熱を始めたとき物質 X はすべて固体で、4 分から 10 分の間は固体と液体が混じっていて、12 分のときはすべて液体でした。物質 X は純物質です。物質 X の融点は何℃ですか。
加熱・冷却のグラフと状態変化
物質を一定の熱で加熱・冷却したときの温度と時間のグラフで、平らな部分（融点・沸点）の温度を読み取り、各区間の状態（固体・固体と液体・液体・液体と気体・気体）を答え、混合物と純物質で平らな部分が現れるかどうかのちがいを説明できる
前提
- 状態変化と粒子・融点・沸点・蒸留 （中学理科 化学分野の用語と知識）
この技能までの道筋（2 技能）
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- 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）
- 状態変化と粒子・融点・沸点・蒸留 （中学理科 化学分野の用語と知識）
説明
固体の物質を一定の強さの火で加熱し続け、温度を時間ごとに測ってグラフにすると、温度が上がらずに平らになる部分が現れます。この技能を身につけると、その平らな部分の温度から融点や沸点を読み取り、グラフの各区間で物質が固体・液体・気体のどの状態（または 2 つの状態が混ざった状態）にあるかを答えられるようになります。また、純物質と混合物でグラフの形がどうちがうかを説明できるようになります。
なぜそうしてよいのか
加熱すると物質を作る粒子の運動が激しくなり、ふつうは温度が上がります。ところが融点に達すると、加えた熱は粒子の運動を激しくすることではなく、粒子どうしの並び方をくずして固体を液体に変えることに使われます。そのため、固体がすべて液体になるまでの間は、熱を加え続けても温度が上がらず、グラフが平らになります。沸点でも同じように、加えた熱は液体を気体に変えることに使われるので、液体がすべて気体になるまで温度は一定です。
純物質では、融点・沸点が物質ごとに決まった 1 つの温度なので、平らな部分ははっきり現れ、その温度が融点・沸点になります。平らな部分の途中では、まだ変化していない状態と変化した後の状態が混ざっています。たとえば融点の平らな部分では固体と液体が、沸点の平らな部分では液体と気体が混ざっています。
一方、水とエタノールのような混合物では、沸点の低い物質のほうが多く気体になるにつれて、残った液体の割合が変わっていくので、沸とうしている間も温度が少しずつ変わります。そのため混合物のグラフでは、はっきりした平らな部分が現れず、融点や沸点が決まった温度になりません。冷却したときは、加熱とは逆に気体→液体→固体の順に変わり、純物質なら凝固するときにも融点と同じ温度で平らな部分が現れます。
手順
グラフの横軸が時間、縦軸が温度であることを確かめ、温度が変わらない平らな部分を探す。
平らな部分の温度を読む。低いほうの平らな部分の温度が融点、高いほうの平らな部分の温度が沸点である。
区間ごとに状態を決める。融点の平らな部分より前は固体、融点の平らな部分の間は固体と液体、2 つの平らな部分の間は液体、沸点の平らな部分の間は液体と気体、それより後は気体である。
平らな部分の長さ（状態変化にかかった時間）が必要なら、（平らな部分が終わる時刻）（平らな部分が始まる時刻）で求める。
平らな部分がはっきり現れるかどうかを見て、現れれば純物質、温度が上がり続けて平らな部分がはっきりしなければ混合物と判断する。
例題
ある純物質の固体 20 g を試験管に入れ、一定の強さで加熱しながら 1 分ごとに温度を測った。加熱を始めたときの温度は で、温度は一定の割合で上がり、加熱を始めてから 3 分後に になった。その後、加熱を続けたが温度は のまま変わらず、加熱を始めてから 11 分後に再び温度が上がり始めた。この実験の範囲では物質は沸とうしなかった。加熱している間に、試験管の中で固体と液体が混ざっていた時間は何分間ですか。
例題の解答
手順 1：温度が変わらない平らな部分を探すと、加熱を始めてから 3 分後から 11 分後までの間、温度が で一定になっている。
手順 2：この実験では沸とうしていないので、この平らな部分は固体が液体に変わっている部分であり、融点は である。
手順 3：融点の平らな部分より前（0〜3 分）は固体、平らな部分の間（3〜11 分）は固体と液体が混ざった状態、平らな部分の後（11 分以降）は液体である。
手順 4：固体と液体が混ざっていた時間は、平らな部分が続いた時間なので
より 8 分間である。
答え:
よくある誤り
平らな部分の間は熱が加わっていないと考えてしまう誤り。正しくは、熱は加え続けられていて、その熱が状態を変えることに使われているので温度が上がらない。
平らな部分の間を「液体だけ」や「固体だけ」としてしまう誤り。正しくは、融点の平らな部分の間は固体と液体が混ざっていて、平らな部分が終わった時点で固体がすべて液体になる。
平らな部分が終わる時刻をそのまま状態変化の時間としてしまう誤り（上の例で 11 分とする）。正しくは、始まる時刻を引いて （分間）とする。
混合物でも平らな部分の温度を沸点として読んでしまう誤り。正しくは、水とエタノールの混合物のような混合物では沸とう中も温度が少しずつ変わり、はっきりした平らな部分が現れないので、決まった沸点はない。
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。