ふた付きの容器に水を 入れ、冷凍庫で冷やして、水をすべて氷にしました。水の密度を 、氷の密度を とします。できた氷の体積は何 ですか。ただし、冷やしている間に水が容器の外に出たり、外から入ったりすることはないものとします。
状態変化と質量・体積
状態変化で質量は変わらず体積が変わることを使い、密度から変化後の体積や体積の増減を求められる(例: 水が氷になるときの体積の増加)
前提
- 密度の計算 (中学理科 身のまわりの物質)
- 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(4 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)
- メスシリンダーによる体積の測定 (中学理科 身のまわりの物質)
- 密度の計算 (中学理科 身のまわりの物質)
- 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
物質が固体・液体・気体のあいだで状態変化するとき、質量は変わらないのに体積は変わります。このことと密度を組み合わせると、状態変化したあとの体積や、体積がどれだけ増えたか・減ったかを計算できるようになります。水がこおって氷になるとふくらむ量や、ろうがかたまると縮む量を求めるときに使います。
なぜそうしてよいのか
状態変化では、物質をつくる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だけです。粒子の数が変わらないので、粒子全体の重さである質量も変わりません。一方、粒子の間隔が変わるので、全体がしめる体積は変わります。
そこで、変化の前後で「質量が同じ」ことを手がかりにします。まず変化前の密度と体積から で質量を求めます。この質量は変化後も同じなので、変化後の密度を使って で変化後の体積がわかります。
同じ質量なら、密度が小さい状態ほど体積が大きくなります。たとえば氷の密度は水より小さいので、水がこおると体積は増えます。多くの物質(ろうなど)は逆に、液体より固体のほうが密度が大きいので、固体になると体積は減ります。
手順
変化前の状態の密度と体積(または質量)、変化後の状態の密度を書き出す
変化前の質量を求める:
状態変化しても質量は変わらないので、この質量をそのまま変化後の質量とする
変化後の体積を求める:
体積の増減を問われたら、 を計算し、増えたか減ったかを確かめる
例題
の水をすべてこおらせて氷にした。水の密度を 、氷の密度を とするとき、体積は何 増えたか求めよ。
例題の解答
手順 1:変化前は水で、密度 g/cm、体積 cm。変化後は氷で、密度 g/cm。
手順 2:水の質量は g。
手順 3:こおっても質量は変わらないので、氷の質量も g。
手順 4:氷の体積は cm。
手順 5:体積の増加は cm。氷の密度は水より小さいので、体積が増えたことと合っている。
よって、体積は 20 cm 増えた。
答え:
よくある誤り
状態変化で質量も変わると考え、氷の質量を g としてしまう誤り。正しくは質量は変わらず g のままで、変わるのは体積。
変化後の体積を で求め、 cm としてしまう誤り。正しくは cm。
体積の増加を問われているのに、変化後の体積 cm をそのまま答えてしまう誤り。正しくは差をとって cm。
どの物質も固体になるとふくらむと考えてしまう誤り。固体の密度が液体より大きい物質(ろうなど)では、 となり、固体になると体積は減る。
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
この技能を使う問題
製氷皿に に近い水を 入れ、冷凍庫に入れてすべてこおらせた。水が氷に状態変化しても、質量は変わらないものとする。
水の密度を 、氷の密度を とすると、こおらせたあとの氷の体積は、はじめの水の体積より何 大きくなりましたか。
ビーカーに入れた固体のロウを加熱してすべてとかし、液体にした。このときの液体のロウの体積は であった。その後、ビーカーを室温で放置したところ、ロウはすべて固体になった。
液体のロウの密度を 、固体のロウの密度を とし、ロウが状態変化しても質量は変わらないものとする。ロウが液体から固体になったとき、体積は何 減りましたか。
液体のエタノール をポリエチレンの袋に入れ、空気をぬいて口を閉じた。この袋に熱い湯をかけたところ、エタノールはすべて気体になり、袋が大きくふくらんだ。
液体のエタノールの密度を 、このときの気体のエタノールの密度を とし、エタノールが状態変化しても質量は変わらないものとする。気体になったエタノールの体積は何 ですか。
固体のろうをビーカーに入れて加熱し、すべて液体にした。このときの液体のろうの体積は であった。その後、ビーカーを室温で放置したところ、ろうはすべて固体になった。
液体のろうの密度を 、固体のろうの密度を とする。また、ろうが液体から固体に状態変化しても、質量は変わらないものとする。
ろうが液体から固体になったとき、体積は何 減りましたか。
液体のエタノール をポリエチレンの袋に入れ、袋の中の空気をぬいて口を閉じた。この袋に熱い湯をかけたところ、エタノールはすべて気体になり、袋が大きくふくらんだ。
液体のエタノールの密度を 、このときの気体のエタノールの密度を とする。また、エタノールが液体から気体に状態変化しても、質量は変わらないものとする。
気体になったエタノールの体積は、はじめの液体のエタノールの体積の何倍ですか。
質量 のビーカーに、加熱してとかした液体のろうを入れた。ろうの液面はビーカーの目盛りで を示し、ビーカーとろうを合わせた質量は であった。このビーカーを室温で静かに冷やすと、ろうはすべて固体になり、表面の中央がくぼんだ。
固体のろうの密度を とする。また、ろうが液体から固体に状態変化しても質量は変わらず、ビーカーの外にろうが出たり入ったりしないものとする。
ろうが液体から固体になったとき、ろうの体積は何 小さくなりましたか。