※このウェブページは中学校理科１年の学習内容です。<1年p.84>
１｜物質の状態変化
１ 状態変化とは
同じ物質でも，温度によって，固体，液体，気体と状態が変わる。たとえば，氷や水蒸気は，水が状態を変えただけで，水という物質であることに変わりはない。また，探究5のように，ロウも温度によって状態が変わるが，ロウという物質であることに変わりはない。このように，温度によって物質の状態が変わることを物質の【状態変化】という（図1）。
探究５ 状態変化と体積，質量
準備
ロウ，電子てんびん，ビーカー，加熱器具，ペン，厚紙
① 液体のロウを入れたビーカーの液面の位置に印をつける。ビーカーごと，液体のロウの質量をはかる。
② ビーカーを冷やしてロウを固体にし，その体積を調べる。また，ビーカーごと固体のロウの質量をはかる。
- 体積の変化：ロウが冷えて液体から固体になったとき，ロウの中央がへこんだ。
- 質量の変化は下の表のようになった。
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資料 液体を経ない状態変化
保冷剤に使われるドライアイス（固体の二酸化炭素）のように，固体から液体にならないで直接気体になったり，気体から直接固体になったりする物質もある。
注意!! ドライアイスは直接手でさわらない。
注意!! 破れつの危険があるので，袋のふくらみを確認したら袋の口を開けておく。
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ロウの場合，液体から固体になると体積が減少した。このとき質量は変化がない。このような現象は，粒子のモデルでどのように説明できるだろうか。
探究６ 状態変化と粒子のモデル
ロウも気体になるんですね。
そうです。ロウが炎の熱で液体から気体になります。目に見えなくなっている部分が，ロウの気体です。
図3ではエタノールやロウが沸とうして，気体になっているんだね。
液体から気体に状態変化するときに，体積がすごく増えるみたいだけど，質量はどうなったのだろう。
液体から固体へ，または液体から気体へと変化するとき，質量や体積の変化は，粒子のモデルでどのように説明できるか。
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探究６ 結果から考察する
エタノールやロウが，固体から液体，液体から気体へ変化するときの体積と質量の変化を粒子のモデルで表すと図4のようになると考えられる。
ほとんどの物質は，固体から液体になると体積は増す。ただ水は例外であり，液体から固体に状態変化するとき，体積が約１割増える。粒子のモデルでは，固体になったときに，粒どうしのならび方が変わり，間隔が広がることにたとえられる。
図5 水の状態変化と粒子のモデル
同じ物質の液体と固体であれば，密度は単位体積あたりの粒の数にたとえられる。液体の密度より固体の密度が大きければ，固体は沈む。
図6 浮き沈みと粒子のモデル
ロウの粒は水の粒より密度が小さいと考えることができます。液体のロウを熱湯にそそぐと，どちらが浮くでしょうか。
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２ 状態変化と粒子のモデル
物質を構成している粒子は，固体では規則正しくならんでいる。液体では粒子は位置を変えながら動きまわっている。気体では，粒子と粒子の間の距離が大きく広がり，1個1個の粒子はたがいに衝突しながら自由に飛びまわっている（図7）。
３ 状態変化と体積・質量
一般に，物質が液体から固体になるとき，体積は減少するが質量は変わらない。液体から固体になるときだけでなく，物質が状態変化をするとき，その体積は変化するが，質量は変わらない。
物質が状態変化をしても，質量が変わらないことは，「もともとある粒の数が変わらない」ことで表せます。
固体の状態の物質に熱を加えると，規則正しくならんでいた粒子が動きまわるようになる。これが液体の状態である。固体から液体になると体積がわずかに増える。さらに液体に熱を加えると，粒子が自由に飛びまわるようになる。これが気体の状態である。気体の状態では，体積が大きく増える。
図7 状態変化と粒子のモデル❶ 植物のハッカ(ミント)にふくまれている物質。チューインガムやキャンディーなどに用いられている。
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資料 物質の性質を粒子のメガネで見る
1-2単元では，物質の性質を粒子モデルで考えるという見方・考え方を身に着けました。物質は，種類によって異なる性質の粒子でできています。物質の性質を粒子のふるまいで考えてみましょう。
小学校で，とじこめた空気は押し縮めることができますが，水は押し縮めることができないことを学びました。これは，気体は粒子のすき間が大きく，押し縮められますが，液体は粒子のすき間がほとんどなく，それができないためです（a）。
ほかにも，蒸発と沸とうのちがいは（b）のように説明できます。なお，液体の表面だけでなく，固体の表面からも気体になる状態変化は起こります。
また，探究7で，エタノールを得られる割合が変化したことは，(c)のように説明できます。
（a)空気と水のちがい
水を加熱する前でも，水の表面からは，水の粒子が水蒸気（気体）になって空気中に飛び出している。この現象を「蒸発」といい，蒸発は水の温度に関係なく，いつも起こっている。
水の温度が100℃になると，液体の内部でも水の粒子が水蒸気の状態になり，水中から泡（水蒸気）が出てくる。この現象を「沸とう」という。
（b)蒸発と沸とうのちがい
最初は，たくさんのエタノールの粒子が気体になって空気中に飛び出している。
時間が経つと，徐々にエタノールの粒子が少なくなっていく。
（c)混合物の蒸発
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４ 状態変化と温度
固体が液体になるとき❶の温度を【融点】という。また，液体が沸とうして気体になるときの温度を【沸点】という。
たとえば，水の融点と沸点は図8のようなグラフで表すことができる。純粋な物質であれば，状態変化が起こっているときは温度が変わらない。
理想的な状態では，氷を加熱していくと，0℃で液体になり始め，すべて液体になるまでは0℃のままである。さらに加熱していくと，水の温度は上昇し，100℃で沸とうが始まり，すべて水蒸気になるまでは100℃のままである。水蒸気を熱し続けると，温度はさらに上昇する。なお，水がすべて水蒸気になるまでの時間は省略して表している。
図8 水の状態変化と温度
パルミチン酸を加熱すると，このように温度変化し，融点は約63℃とわかります。
エタノールを加熱すると，このように温度変化し，沸点は約78℃とわかります。
❶ 一般に，「固体から液体に変化する」ことを「とける（融ける・熔ける）」というが，この教科書では「溶ける（水に溶ける）」と区別するため，「液体に変化する」ことを「とける」とよんでいない。
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基本操作 グラフのかき方
① 横軸と縦軸にとる量を決める
・横軸には変化させた量（時間など）をとります。
・縦軸には変化した量（温度など）をとります。
・単位もかきます。
・測定値がすべてグラフにおさまるように，一目盛りの大きさを考えて目盛りをつけます。
② 測定値をはっきり記入する
●や○，×などの印で，はっきり記入します。
③ グラフが曲線か直線かを決める
測定値が曲線の上下に均等にちらばるように，曲線をえがきます。
測定値が線の上下に均等にちらばるように定規を当てて，直線を引きます。原点と最後の点を単に結ばないように気をつけましょう。
測定値を折れ線でつなぎません。これは測定値の誤差を考えてのことであり，また，自然現象はなめらかに変化する場合が多いため，それも意識しています。
測定値をどのような線で結ぶと適切かは，本来は数学的な手法によって決めることができます。ただし，中学校で学ぶ範囲では，見た目で大まかに判断しています。
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① パルミチン酸を試験管に1/3ほどまで入れる。
② 試験管を湯せんして，パルミチン酸の変化を観察しながら，温度を30秒ごとにはかる。
パルミチン酸は，ラードやバターなどの主成分である。
図10 パルミチン酸の状態変化と温度
① 試験管に沸とう石を2〜3個入れてから，エタノールを試験管の1/5ほどまで入れる。
② 90℃以上に加熱した水に，①の試験管を入れ，エタノールの変化を観察しながら，温度を30秒ごとにはかる。
注意!! エタノールは火がつきやすいので，直接加熱したり，火に近づけたりしない。実験のときは換気をよくする。
温度変化の表をグラフにしてみると，88ページの図9のようになります。
誤差を考えてグラフを作成しましょう。
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５ 物質の種類による融点・沸点のちがい
融点も沸点も，物質の量には関係なく，物質の種類によって決まっている（図12）。このため，物質の融点や沸点をはかれば，物質を見分ける手がかりになる。
液体が固体になる温度は融点と同じである。また，気体が液体になる温度も沸点と同じである。
図12 物質の状態変化と温度❶
p.85図2で示したエタノールは，液体窒素（エタノールの融点よりも温度が低い）を利用して，固体にしている。気体にするときは，熱湯（エタノールの沸点よりも温度が高い）を利用している。
図13 物質による融点・沸点のちがいを利用した状態変化
❶ 出典：主に「理科年表」
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資料 見たことないかも，この物質のこの状態
約1500℃にすると 固体から液体になる
約−39℃で液体から固体になる
−0.5℃で気体から液体になる。カセットコンロ用のガスの主成分である。
約800℃にすると固体から液体になる
約−200℃で気体から液体になる
約−220℃で固体になる
ニュース
※科学ニュースの更新は2025年4月を目処にはじまります。
- 【「菜箸をつっこんで揚げ油の温度を測る」，案外正確な計測方法だった！？】 2023年3月1日アジアでは，揚げ物を作る際に「熱した油に濡らした菜箸をつけて温度を測る」ということが広く行われていますが，意外にも，その現象を科学的に説明する研究はなされてきませんでした。 そこで，高感度のマイクと高速度カメラを用いて，湿らせた菜箸などを高温の油に入れたときの反応を記録したところ，油の中で生じた泡による空洞が非常に複雑な物理現象を引き起こし，条件によって泡の出方や生じる音響がさまざまに変化していることが分かりました。実験を行ったヂャオ・パン（Zhao Pan）教授は，「目と耳によるこのシンプルな測定は誤差約5～10%の範囲で正確。揚げ物をする際の通常の温度が150℃以上であることを考えると悪くない」と述べています。 もと記事リンク 論文