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「融解/凝固」「沸騰/凝縮」を水分子シミュレーターで理解しよう![化学入門]

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前回記事では、「固体」「液体」「気体」の各状態について解説しました

今回はその各状態間の変化である「融解/凝固」「沸騰/凝縮」について解説していきます!

「融解/凝固」「沸騰/凝縮」を水分子シミュレーターで理解しよう![化学入門]

おさらい:水分子の各状態

固体 = 水素結合等でガチガチに固まった状態

物質の温度が低い場合、分子は死んだように動かない状態になります。そうなると、水素結合やその他の力が強く働き、ガチガチに分子がくっついた状態になるんです。これこそが「固体」という状態なんです!

そして、この固体の状態は「分子が動いて出ていく力 < 互いの分子の結合力」の条件下で形成されます。

物質の状態2: 液体 = 完全な拘束状態からは抜け出したが、まだ分子間の力で引き寄せあっている状態

次に液体です。氷は0度になると、溶けて水になりますよね。これは「分子が動いて出ていく力 > 互いの分子の結合力」となり、その束縛から抜け出して動きだした状態と言えます!

ただ、完全に開放されたわけじゃないんです。水分子は互いに近いところをウロチョロと動き回れるようになりますが、互いの分子間で引き寄せ合う力が影響するので、完全に自由とはいえないような動きになります

温度が高くなるほど、分子の動きが速くなっていき、その影響度合いが低くなってきます。

物質の状態3: 気体 = 互いの分子間の力から抜け出して、素早く動き回れる

次に気体です。水は100度になると、水蒸気に変わります。これは、「温度が高まって、水分子間の互いを結ぶ力から抜け出した状態」ともいえます。

液体状態では残っていた互いにくっつこうとする力から抜け出した、「自由な状態」になるわけです!完全ではないですが、力を受けない「等速運動」に近い動きになります。もちろん、温度が高まるとさらに高速に分子は動くようになります。

状態間の遷移

物質には「固体」「液体」「気体」がありますが、主として↓のように固体から液体、液体から気体に変化します。
このときの変化を↓のように「融解/凝固」「沸騰/凝縮」といいます!

融点/沸点

↑のような「融解/凝固」「沸騰/凝縮」を起こすのは特定の温度なった時です。この「何度で融解や沸騰を起こすか」を融点/沸点といいます。

融点の定義

「固体 → 液体」に変化するときの温度

沸点の定義

「液体 → 気体」に変化するときの温度

日常的な環境の場合、水は融点=0℃/沸点=100℃になります

固体から液体に変わるときは、「融解」です。氷が溶けるイメージですね。そしてその逆が「凝固」で水が氷になる場合です。

液体から気体に変わるときが「蒸発」です。これは日常生活でも使う言葉ですよね。そしてその逆が「凝縮」といいます。

以下、「融解/凝固」「沸騰/凝縮」をシミュレーターを用いて解説していきます!

融解/凝固シミュレーター

融解は↑の説明のとおり、「固体→液体」間の変化を指すものです。この変化は氷の温度を0度まで上げていったときに発生します。融解することで、固体でガチガチに束縛されていた分子が開放されていくわけです!

大事なのは「融解して分子の束縛を解くためには、エネルギー(熱量)が必要」ということです。通常、コチラの比熱のページで解説しているとおり、氷や水の温度をあげるためには質量に比例した熱量が必要です。

加えて、融解のためには、その温度を上げるのとは別に熱量が必要になるんです!そのため「氷が融解している時には、一定期間温度が変わらない時間帯が発生する」んです。
これはその逆の反応である凝固でも同じです。動き回っている分子を静かにさせるためには、一定以上の熱量を奪う必要があるからです。

この動きをシミュレーターで確認してみましょう!

シミュレーターの説明
  • このシミュレーターでは氷/水を-50 ~ 50度まで変えられます。
  • ↓のボタンで冷却/加熱と、一定熱量ごと減少/増加していき温度が変わります(STOPで熱量変化無し状態になります)
  • 融解/凝固が起こると、温度が変化しなくなることを確認してみましょう!

温度: 0


 

沸騰/凝縮シミュレーター

こちらも考え方は融解/凝固と同じです。

液体⇒気体になるときには、分子間の束縛から抜け出して、空間に飛び回るだけの熱量を分子に与える必要があります。それ故に、沸騰/凝縮するとき、水は100度でしばらく一定の温度になるんです。

状態を変えるときには、通常の比熱とは別腹で、エネルギー(熱量)が必要になるということですね!

この動きをシミュレーターで確認してみましょう!

シミュレーターの説明
  • このシミュレーターでは水/水蒸気を50 ~ 150度まで変えられます。
  • ↓のボタンで冷却/加熱と、一定熱量ごと減少/増加していき温度が変わります(STOPで熱量変化無し状態になります)
  • 沸騰/凝縮が起こると、温度が変化しなくなることを確認してみましょう!

温度: 0

まとめ:物質の変化の間では「融解/凝固」「沸騰/凝縮」が起こる!

今回は「固体⇒液体⇒気体」で、どのような変化が起こるかについて解説しました。

固体⇒液体では「融解/凝固」が、液体⇒気体では「沸騰/凝縮」がおきます。

このような変化では、通常の温度変化とは別でエネルギー(熱量)が必要になります。水の場合だと0度と100度で温度が一定になるような現象が発生します。

物体の温度を上げるためではなく、分子の状態を変えるためにエネルギーが使われていると考えればよいと思います!
 

「融解/凝固」「沸騰/凝縮」」まとめ

  • 融解/凝固 = 固体と液体の間での状態変化。これが起きる温度を融点という
  • 沸騰/凝縮 = 液体と気体の間での状態変化。これが起きる温度を沸点という
  • 融点と沸点では、物質が「固体→液体」「液体→気体」に変化するためにエネルギーが使われるため、状態変化が終わるまで温度が一定となる

 


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