冷凍庫の氷を部屋に出すと水になり、やかんの水を熱すると湯気が見えます。反対に、冷たいコップの外側には水滴がつきます。これらは、水がなくなったり別の物質になったりしたのではなく、固体・液体・気体という状態を変えた現象です。この記事では、水の三つの状態を『水の三態』として整理し、あたためる向きとひやす向き、それぞれの変化の名前、身の回りで見つけるときの注意を説明します。ゲームで装置を並べる前にも役立つ、変化の道すじを一つずつ確かめましょう。
対象: 小学4年生 / 学び: 理科・水の三態と状態変化
水の三態―固体・液体・気体
水には、固体の氷、液体の水、気体の水蒸気という三つの状態があります。固体は形がほぼ決まっていて、氷を皿に置いてもすぐ皿と同じ形にはなりません。液体は量を保ちながら入れ物に合わせて形を変え、水はコップにも水そうにも広がります。気体は決まった形をもたず、入れ物全体へ広がります。水蒸気は水が気体になったもので、本来は目に見えません。やかんの口の少し先に見える白い湯気は、水蒸気が周りの冷たい空気でひやされ、とても小さな水滴になったものです。三つは見た目や広がり方が違いますが、どれも水という同じ物質です。状態が変わっても、水そのものが別の物質へ変化したわけではありません。
あたためる変化とひやす変化
氷をあたためると、とけて液体の水になります。この変化を融解といいます。水をさらにあたためると、表面から少しずつ蒸発し、十分に熱すると内部からもさかんに水蒸気になります。液体から気体への変化をまとめて気化といいます。反対に、水蒸気をひやして液体の水へもどす変化が凝結です。水をさらにひやして氷にする変化は凝固といいます。順番は『氷―水―水蒸気』で、あたためると右向き、ひやすと左向きに進むと整理できます。ただし、実際の変化には温度だけでなく、熱を加えたりうばったりする時間、気圧などの条件も関係します。ゲームでは向きを考えやすくするため、一つの装置で隣の状態へ移るように簡略化しています。
温度が止まって見えるときも熱は動く
氷をあたため続けても、氷と水がいっしょにある間は、温度がすぐ上がらないことがあります。加えた熱が、温度を上げるだけでなく、氷を水へ変えるために使われるからです。同じように、水が沸騰して水蒸気へ変わっている間も、加熱を続けているのに水の温度がほぼ一定に見える場合があります。『あたためたら必ずその瞬間に次の状態になる』わけではありません。どれだけの量があり、どのくらい熱を受け取ったかも大切です。反対向きの凝結や凝固では、水が周りへ熱を渡します。状態変化を観察するときは、温度計の数字だけでなく、氷が残っているか、泡がどこから出ているか、水滴ができたかも合わせて記録すると、熱と状態の関係が分かりやすくなります。
ゲームの装置を並べる考え方
ゲームでは、試料が実験ラインを左から右へ進みます。あたためる装置は『氷から水』『水から水蒸気』へ一段階進め、ひやす装置はその反対へ一段階もどします。そのまま装置では状態を保ちます。黄色い検査ゲートが複数あるときは、ゴールだけを見て一気に考えず、最初の状態を紙に書き、カードを一枚通るたびに矢印と次の状態を書き足してみましょう。最初の検査までが合ったら、そこを新しい出発点にして次の検査までを考えます。水蒸気へあたためる、氷をさらにひやすなど、三態の端で同じ向きの装置を使った場合は、ゲームでは状態を保ちます。これは状態を三段階だけで表すためのルールで、実際には温度が変化することがあります。
身近な例で考えてみよう
- 冷凍庫から出した氷がジュースの中で小さくなるのは融解です。氷が周りから熱を受け取り、固体から液体の水へ変わっています。
- ぬれた洗濯物が晴れた日に乾くのは、水が表面から少しずつ気化して空気中へ移るためです。沸騰していなくても蒸発は起こります。
- 冷たい飲み物を入れたコップの外側に水滴がつくのは、主に空気中の水蒸気がひやされて凝結するためです。コップの中の水がガラスを通り抜けたのではありません。
- 冬の朝に浅い水たまりへ氷が張るのは凝固です。液体の水が周りへ熱を渡し、固体の氷へ状態を変えています。
よくある間違いと覚え方
- 白い湯気そのものが水蒸気だと思う間違い。水蒸気は目に見えず、白く見える部分は水蒸気がひやされてできた細かな水滴です。
- 沸騰しなければ水は気体にならないと思う間違い。水面からの蒸発は、洗濯物が乾くときのように沸点より低い温度でも起こります。
- 冷たいコップの水滴は中の水がしみ出したと思う間違い。主に周囲の空気に含まれる水蒸気が冷たい表面で凝結した水です。
- 氷がとけると水でなくなると思う間違い。状態と見た目は変わりますが、融解の前後で物質としてはどちらも水です。
保護者の方へ
氷を透明な容器へ入れて時間と温度を記録したり、氷水を入れたコップの外側を観察したりすると、ゲームの矢印を実物へ結び付けられます。『今はどの状態？』『熱はどちらへ動いた？』と問いかけ、白い湯気と見えない水蒸気を区別してください。加熱実験はやけどの危険があるため必ず大人が行い、子どもだけで熱湯・火・加熱器具を扱わせないでください。ゲームは状態の順序を一段階で表す簡略モデルなので、実際には変化に必要な温度や時間があることも添えると理解が深まります。
ミニ問題
問題1: 氷がとけて液体の水になる変化を何といいますか？
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融解
固体から液体への状態変化を融解といいます。氷は周りから熱を受け取ってとけますが、物質としては水のままです。
問題2: 水蒸気がひやされて液体の水になる変化を何といいますか？
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凝結
気体から液体への変化が凝結です。冷たいコップの外側につく水滴など、空気中の水蒸気が水になる現象で見られます。
問題3: 目に見える白い湯気は、水蒸気そのものですか？
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水蒸気そのものではありません
水蒸気は目に見えません。白い湯気は、高温の水蒸気が周りでひやされ、空中に浮く細かな水滴へ変わったものです。
問題4: ぬれたタオルは沸騰していないのに、なぜ乾きますか？
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水が表面から蒸発するため
蒸発は水の表面から起こる気化で、沸点より低い温度でも進みます。風や温度、湿り具合などで乾く速さは変わります。
ゲームで確かめてみよう
ここまでの内容を、実際に「くるくる！水の三態ラボ」を操作しながら確かめてみましょう。