【ブログでわかるサイエンス】#7 水の状態は温度と圧力に左右される【化学／物理学／地球科学】
前回の記事（#6）では、水を例に「状態変化とは何か？」をミクロとマクロの視点から見てきました。
状態変化は、粒子の熱運動と粒子間の引力のバランスで決まり、さらにマクロの世界では温度と圧力が大きく関わってきます。今回は、その「温度・圧力」と状態変化の関係を、もう少し深く見ていきましょう。
（振り返り）状態変化とは？
固体・液体・気体の三つの姿をまとめて「物質の三態」と呼びます。
この三態の間で姿が変わる現象を状態変化といいます。性質そのものは変化しません。
状態変化には次の６種類があります。
◆融解（固体 → 液体）
例：氷がとけて水になる
◆凝固（液体 → 固体）
例：水が凍って氷になる
◆蒸発（液体 → 気体）
例：コップの水を放置すると減る
◆凝縮（気体 → 液体）
例：寒い日に窓が曇る
◆昇華（固体 → 気体）
例：ドライアイスが気体になって消える
◆凝華（気体 → 固体）
例：冷凍庫の霜
教科書で一度は見たことのある分類ですが、ここからが“科学の面白いところ”です。
氷を加熱したときの温度変化
１気圧のもとで、18 g の氷を加熱したときの温度変化を見てみましょう。
氷の温度はただ一直線に上がるわけではなく、ある温度で横ばいになる区間が２回あります。
５つの領域で見てみると⋯
① 固体のまま温度が上がる
熱は粒子のふるえ（熱運動）を激しくするために使われる。
② 固体 → 液体の変化（温度は一定）
熱は粒子の規則正しい並びを崩すために使われる。
→ 融点（0℃）はここ。
③ 液体のまま温度が上がる
再び熱運動が激しくなる段階。
④ 液体 → 気体の変化（温度は一定）
液体の粒子間の引力を断ち切るために熱が使われる。
→ 沸点（100℃）はここ。
⑤ 気体のまま温度が上がる
粒子の運動がさらに活発になる段階で、状態が変化するときには温度が一定になる。
ここが“段々畑のような温度グラフ”になる理由なのです。
温度だけでなく「圧力」も変わるとどうなる？
ここからが今回の本題です。
水の状態は、温度 × 圧力 の組み合わせで決まります。
その関係をまとめたものが、いわゆる 「水の状態図」 です。
図では、固体・液体・気体の領域がくっきり分かれ、境界線には次の名称がついています。
◆固体 ↔ 液体：融解曲線
◆液体 ↔ 気体：蒸気圧曲線
◆固体 ↔ 気体：昇華圧曲線
前の例（氷 18 g の加熱）は、１気圧という条件のもとで起きていて、そのときの融点は 0 ℃、沸点は 100 ℃でした。
圧力を変えると、融点・沸点はどう変わる？
水はとても“気難しい物質”で、圧力を変えると状態境界が動きます。
●一般的な物質
圧力が上がる → 融点も上がる
●しかし、水は例外
氷は水より密度が低いため、一般的な物質とは逆の動きをします。
-
圧力が上がる → 融点が下がる
-
圧力が下がる → 融点が上がる
沸点については、一般の物質と同じです。
-
圧力が上がる → 沸点が上がる
-
圧力が下がる → 沸点が下がる
こうした性質が、身近な現象の背景にあります。
ナイショの話
実は圧力を6.1✕10²Pa、温度を0.01℃にすると、固体の氷・液体の水・気体の水蒸気が共存できてしまうのです。
このような点を三重点といいます。
また、圧力を2.2✕10⁷Pa、温度を374℃にすると、液体と気体の境目がわからない超臨界状態になります。
このような点を臨界点といいます。
今日の問い
水の状態図をもとに考えてみましょう。
① 圧力鍋のしくみはどのようになっているでしょうか？
② 高い山の山頂で米を炊くと、なぜ生煮えになるのでしょうか？
③ スケートリンクにはなぜ氷が張られているのでしょうか？（ヒント：氷の融点と圧力）
あなたの生活の中にも「温度 × 圧力」で説明できる現象がたくさん隠れています。
ぜひ一度、身のまわりを観察してみてください。
大人の化学ゼミナール（YouTubeライブ）
毎月 第２・第４木曜日 21:00〜、
YouTube「大人のサイエンス・コミュニティ」にて、ライブ配信で化学の基礎について学び合っています。
日常から宇宙スケールまで、科学の“面白いところだけ”を大人向けに凝縮。
常連さんとの大喜利チャットも名物です。
お気軽に遊びにきてください。
▼今回の記事に関連する回はこちら
質問募集中
「ブログでわかるサイエンス」シリーズでは、皆様の疑問をテーマにして記事を制作しています。
お気軽にどうぞ！
#理科 #科学 #サイエンス #化学 #化学基礎 #物理学 #地球科学 #状態変化 #物質の三態 #気体 #液体 #固体 #蒸発と沸騰 #水 #ドライアイス #大人の学び #学び直し #YouTube #理科教育 #科学教育 #温度 #圧力 #状態図
