物質の状態
氷はなぜ水に浮くのでしょうか。高い山の上では、なぜ水が90 °Cで沸騰するのでしょうか。注射器は押し込むほど、なぜ押しにくくなるのでしょうか。温度を動かして、粒子が結晶として固定され、液体として滑り合い、気体として飛び散る様子を見てみましょう。さらに、OpenStaxとNISTの数値を使って、実際の加熱曲線とボイルの法則を確かめます。
このコースについて
−12 °C の氷を入れたビーカーを台の上に置きます。OpenStax には、そこで何が起こるかが示されています。十分後、氷は 0 °C まで温まり、少し溶けています。三十分後にはもっと溶けていますが、温度計はまだ 0 °C です。最後の氷が消えて初めて温度が上がり始め、22.2 °C に達します。氷はその間ずっと部屋から熱を吸い続けていました。このコースでは、その熱がどこへ行ったのかを説明します。
六つの単元は、物質とは何か、固体・液体・気体の中の粒子、融解と凝固、蒸発と沸騰、加熱曲線、そして気体の圧力とボイルの法則です。水の分子そのものは変わりません。H₂O は氷でも水でも水蒸気でも H₂O です。変わるのは、分子どうしの距離、互いを引き合う強さ、そして動く速さです。蒸発は表面でだけ、どんな温度でも起こりますが、沸騰は液体の内部全体で、決まった温度で起こります。加熱曲線は実際の数値で計算します。−15 °C の氷 135 g を 120 °C の水蒸気にするには 416 kJ が必要で、そのうち沸騰だけに 305 kJ が使われます。OpenStax は各段階を丸めて 416 kJ と報告していますが、丸めない値を足すと 415.4 kJ になり、実験のモデルはこちらを示します。
最後の単元では、動いている分子で気体の圧力を説明します。気体を半分の体積まで押し縮めると、壁の各部分に分子がぶつかる回数が二倍になるので、圧力も二倍になります。練習問題では、100 kPa で 2.0 L を占めていた気体を、同じ温度で 0.50 L まで押し縮め、新しい圧力を求めます。
はじめる前に
最初の単元で「物質とは何か」を問うので、化学の予備知識なしにここから始められます。加熱曲線の単元では熱をモルあたりのキロジュールで数えるので、化学結合のモルの節が役立ちます。ボイルの法則の問題にはかけ算とわり算だけで足ります。
終わったら
質量と重さを区別し、固体、液体、気体での粒子のふるまいを説明し、氷が融けている間 0 °C のままである理由を述べられるようになります。リードビルで水が約 90 °C で沸騰する理由を説明し、モル数から氷を融かしたり水を沸かしたりするのに必要な熱を計算し、ボイルの法則で新しい気体の体積を求められます。
- 1物質とは何か月面の宇宙飛行士の重さは地球上の6分の1になりますが、質量はまったく変わりません。
- 2固体・液体・気体の粒子30 °Cの空気中の窒素分子は、秒速約519 mで、旅客機よりも速く動いています。
- 3融解と凝固室内の空気で温められた氷入りのビーカーは、とけている間、30分以上にわたって0 °Cちょうどを保ちました。
- 4蒸発と沸騰コロラド州レッドビルは標高約3,100 mにあり、気圧は約68 kPaで、水は約90 °Cで沸騰します。
- 5加熱曲線−15 °Cの氷135 gを120 °Cの水蒸気にするには416 kJが必要で、そのうち305 kJは沸騰だけに使われます。
- 6気体の圧力とボイルの法則1662年、ロバート・ボイルは閉じこめた空気を体積の四分の一まで押し縮め、圧力が約四倍になることを見つけました。
このコースの出典 (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
確認日: 2026-10-17