水の状態変化と粒子モデルStates of Water and the Particle Model

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 氷をゆっくり加熱していくと、温度は時間とともにずっと同じように上がり続けると思いますか。グラフの形を予想してかいてみましょう。If you heat ice slowly, do you think its temperature will keep rising steadily the whole time? Sketch the shape you expect for the graph.💡 氷水の入ったコップの温度は、氷がとけ切るまでどうなっているでしょうか。Think about the temperature of a glass of ice water while the ice is still melting.
2. 水が水蒸気(気体)になるとき、粒子そのものは大きくなると思いますか、それとも粒子の数が増えると思いますか、それとも別の変化だと思いますか。When water turns into water vapor (a gas), do you think the particles themselves get bigger, the number of particles increases, or something else changes?💡 画面上の粒子の個数表示と、それぞれの粒子の円の大きさに注目しましょう。Watch the particle count display and the size of each particle's circle on screen.

2動かしてみようTry it

1. 「−30 ℃」ボタンを押し、液体(20 ℃)の水が冷えていく様子を見る。0 ℃ で状態が「凝固中」になったとき、温度表示・加熱曲線・「粒子40個:」の内訳がどう変わるか記録する。Press the "−30 ℃" button and watch the liquid water (20 ℃) cool. When the state becomes "Freezing" at 0 ℃, record how the temperature, the heating curve, and the "40 particles:" breakdown change.
2. −30 ℃ の固体になったら、粒子の並び方と動き方を観察する。Once it is a solid at −30 ℃, observe how the particles are arranged and how they move.
3. 「130 ℃」ボタンを押し、「融解中」「液体」「沸騰中」「気体」と変わるたびに、温度表示・加熱曲線・粒子の様子を記録する。特に 0 ℃ と 100 ℃ のときの加熱曲線の形に注目する。Press the "130 ℃" button. Each time the state changes ("Melting", "Liquid", "Boiling", "Gas"), record the temperature, the heating curve, and what the particles look like. Pay special attention to the shape of the heating curve at 0 ℃ and 100 ℃.
4. 130 ℃ の気体になったら、「目標温度」スライダーを 20 ℃ まで下げ、100 ℃ で「液化中」になることと、そのときの温度表示を確かめる。When it has become a gas at 130 ℃, move the "Set temp" slider down to 20 ℃. Check that it becomes "Condensing" at 100 ℃, and note the temperature reading at that time.

3確かめようCheck

1. 0 ℃ で「凝固中」や「融解中」になっている間、温度表示と加熱曲線はどうなっていましたか。粒子はどうなっていましたか。While the state was "Freezing" or "Melting" at 0 ℃, what did the temperature reading and the heating curve show? What were the particles doing?→ 温度は 0.0 ℃ のまま変わらず、加熱曲線は融点 0 ℃ の線に沿って平らになった。その間、容器内には固体と液体の粒子が混ざっていて、融解中は「固体 35・液体 5」→「固体 12・液体 28」のように液体の数が時間とともに増えた(凝固中は逆に固体が増えた)。The temperature stayed at 0.0 ℃ and the heating curve went flat along the 0 ℃ melting-point line. Meanwhile, solid and liquid particles were mixed in the container: while melting, the count went from about "solid 35 · liquid 5" to "solid 12 · liquid 28", so liquid increased over time (while freezing, solid increased instead).
2. 固体・液体・気体で、粒子の並び方や動き方はどう違いましたか。How did the arrangement and motion of the particles differ between solid, liquid, and gas?→ 固体では粒子が規則正しく並んで接し合い、決まった位置のまわりでふるえるだけだった。液体では粒子どうしが接したまま、ほぼ同じ間隔で位置を変えながら動き回った。気体では粒子が容器全体に広がって間隔がずっと大きくなり、速く直線的に飛んで容器の壁ではね返った。In the solid, the particles were lined up in a regular pattern, touching each other, and only vibrated around fixed positions. In the liquid, they stayed in contact at about the same spacing but moved around and changed places. In the gas, they spread through the whole container with much larger spacing, flew fast in straight lines, and bounced off the walls.
3. 状態が変わる前と後で、粒子の数と大きさは変わりましたか。Did the number or size of the particles change before and after a change of state?→ 変わらなかった。どの状態でも「粒子40個」で、固体・液体・気体の内訳の合計は常に 40 個、円の大きさも同じだった。変わったのは並び方・間隔・動きの速さである。No. In every state there were 40 particles—the solid, liquid, and gas counts always added up to 40—and the circles stayed the same size. What changed was the arrangement, the spacing, and how fast they moved.
4. 気体から冷やしたとき、液化はどの温度で起こり、その間の温度はどうなりましたか。When the gas was cooled, at what temperature did condensation happen, and what did the temperature do during it?→ 沸点と同じ 100 ℃ で「液化中」になり、液体の粒子が増えていく間、温度は 100.0 ℃ のまま保たれた。液化が終わってから温度が下がり始めた。加熱のときと同じ温度で、逆向きの変化が起こる。It became "Condensing" at 100 ℃, the same as the boiling point, and the temperature stayed at 100.0 ℃ while the number of liquid particles grew. Only after condensation finished did the temperature start to fall. The reverse change happens at the same temperature as during heating.

4考えようThink further

1. 融解中や沸騰中は加熱し続けているのに、温度が上がらないのはなぜでしょうか。During melting or boiling, heat is still being added, so why does the temperature not rise?→ 加えた熱が、粒子の運動を激しくする(温度を上げる)ためではなく、粒子の並び方を変える(固体→液体、液体→気体にする)ために使われるから。すべての粒子の状態が変わり終わると、熱は再び温度を上げるのに使われ、グラフが右上がりになる。Because the added heat is used to change how the particles are arranged (solid → liquid, liquid → gas) rather than to make them move faster (raise the temperature). Once all the particles have changed state, the heat raises the temperature again and the graph slopes upward.
2. 同じ質量の水が液体から気体になると、体積が非常に大きくなるのはなぜでしょうか。粒子モデルで説明しましょう。Why does the same mass of water take up a much larger volume as a gas than as a liquid? Explain with the particle model.→ 粒子の数や大きさは変わらないが、気体では粒子どうしの間隔がとても大きくなり、容器全体を飛び回るから。体積の増加は粒子の間隔が広がったためで、粒子が大きくなったり増えたりしたためではない。The number and size of the particles do not change, but in a gas the spaces between particles become very large and the particles fly around the whole container. The volume grows because the spacing increases, not because the particles get bigger or more numerous.

よくある誤解Common misconceptions

• 「水が水蒸気になると、粒子そのものが大きくなる(または粒子が増える)」という誤解。粒子の大きさも数も変わらず、変わるのは粒子の間隔と運動のようすである。"When water becomes vapor, the particles themselves get bigger (or more particles appear)." Neither the size nor the number of particles changes; only the spacing and motion of the particles change.
• 「加熱を続ければ、温度は常に上がり続ける」という誤解。融点や沸点では、状態変化が終わるまで温度は一定に保たれる。"If you keep heating, the temperature always keeps rising." At the melting and boiling points, the temperature stays constant until the change of state is complete.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)