炭酸飲料シミュレーター：気体の溶解度を分子で見るSoda Simulator: Gas Solubility with Molecules

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

1. 炭酸飲料を冷えたまま置いておく場合と、温かい場所に置いておく場合では、どちらのほうが気が抜けやすいと思いますか。Which do you think goes flat more easily: a soda kept cold, or a soda left in a warm place?💡 食塩や砂糖のような固体の溶解度と温度の関係を思い出し、気体でも同じなのか考えてみましょう。Recall how the solubility of solids such as salt or sugar depends on temperature, and think about whether gases behave the same way.
2. ペットボトルの炭酸飲料のフタを開けると、なぜ泡が出てくるのでしょうか。Why do bubbles appear when you open a bottle of soda?💡 フタを開ける前と後で、水面の上の二酸化炭素の量(圧力)はどうなるでしょうか。Think about how the amount (pressure) of carbon dioxide above the liquid changes before and after opening.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(温度 20 °C、圧力 3.0 気圧、液の量 50 %)で、水面の上の「気体のCO2」と水中の「とけたCO2」の分子を観察し、上の表示「溶存CO2濃度」(×3.00)と「炭酸の味の強さ」を確認する。水面を行き来する分子にも注目する。In the starting state (Temperature 20 °C, Pressure 3.0 atm, Amount of liquid 50 %), observe the "CO2 gas" molecules above the surface and the "Dissolved CO2" molecules in the water, and check the "Dissolved CO2" value (×3.00) and "Fizziness (taste)" at the top. Also watch molecules crossing the surface.
2. 「温度」スライダーを 60 °C に上げ、10秒ほど待って「溶存CO2濃度」ととけたCO2の個数を記録する。次に 0 °C に下げて同じように記録する。分子の動く速さのちがいにも注目する。Raise the "Temperature" slider to 60 °C, wait about 10 seconds, and record "Dissolved CO2" and the number of dissolved CO2 molecules. Then lower it to 0 °C and record again. Also notice how fast the molecules move.
3. 温度を 20 °C に戻し、「圧力(上部の気体CO2の量)」を 1.0 気圧 → 5.0 気圧と変えて、それぞれ落ち着いたときの溶存CO2濃度を記録する。Set Temperature back to 20 °C and change "Pressure (CO2 gas above)" from 1.0 atm to 5.0 atm, recording Dissolved CO2 once each settles.
4. 圧力を 3.0 気圧に戻し、「液の量(水の体積)」を 75 % と 25 % にして、とけたCO2の個数と溶存CO2濃度をくらべる。Return Pressure to 3.0 atm, set "Amount of liquid (water volume)" to 75 % and then 25 %, and compare the number of dissolved CO2 molecules with the Dissolved CO2 value.
5. 液の量を 50 % に戻して「フタを開ける」を押し、泡ができて上がっていく様子と、CO2の圧力・溶存CO2濃度・炭酸の味の強さの変化を10秒ほど観察する。最後に「フタを閉める(再び加圧)」で元に戻す。Return the liquid to 50 % and press "Open the lid". For about 10 seconds, watch the bubbles form and rise and how CO2 pressure, Dissolved CO2 and Fizziness change. Finally press "Close the lid (pressurize again)" to restore it.

3確かめようCheck

1. 温度を 60 °C、0 °C にしたとき、溶存CO2濃度はそれぞれどうなりましたか。What was Dissolved CO2 at 60 °C and at 0 °C?→ 60 °C では約×1.1(とけたCO2 約11個)に減って味は「弱い」に、0 °C では約×5.5(約55個)に増えて「とても強い」になりました。気体は温度が低いほどよくとけます。温度が高いほど分子の動きも速くなりました。At 60 °C it fell to about ×1.1 (about 11 dissolved CO2 molecules) and the taste became "Weak"; at 0 °C it rose to about ×5.5 (about 55) and became "Very strong". Gases dissolve better at lower temperatures. The molecules also moved faster at higher temperature.
2. 20 °C で圧力を 1.0 気圧と 5.0 気圧にしたとき、溶存CO2濃度はいくつでしたか。At 20 °C, what was Dissolved CO2 at 1.0 atm and at 5.0 atm?→ 1.0 気圧で×1.00、5.0 気圧で×5.00でした。水面の上の気体の圧力が5倍になると、とける量も約5倍になります。It was ×1.00 at 1.0 atm and ×5.00 at 5.0 atm. When the pressure of the gas above becomes 5 times larger, about 5 times as much dissolves.
3. 液の量を 75 % と 25 % にしたとき、とけたCO2の個数と濃度はどうなりましたか。What happened to the number of dissolved CO2 molecules and to the concentration at 75 % and 25 % liquid?→ とけたCO2の個数は 75 % で約45個、25 % で約15個と、水の量に比例して変わりましたが、溶存CO2濃度はどちらも×3.00のままで、味の強さも変わりませんでした。The number of dissolved CO2 molecules changed in proportion to the water (about 45 at 75 % and about 15 at 25 %), but Dissolved CO2 stayed at ×3.00 in both cases and the fizziness did not change.
4. 「フタを開ける」を押すと、何が起こりましたか。What happened when you pressed "Open the lid"?→ 水面の上のCO2が外へ出ていき、CO2の圧力が 0.1 気圧に下がりました。とけきれなくなったCO2が泡になって上がっていき、溶存CO2濃度は約×0.1まで下がって、味の強さは「気が抜けた」になりました。The CO2 above the surface escaped and the CO2 pressure dropped to 0.1 atm. CO2 that could no longer stay dissolved rose as bubbles, Dissolved CO2 fell to about ×0.1, and the fizziness became "Flat".

4考えようThink further

1. つり合いの状態でも、水面を上下に行き来する分子が見られます。それでも溶存CO2の量が変わらないのはなぜですか。Even at equilibrium, molecules keep crossing the surface up and down. Why does the amount of dissolved CO2 stay the same?→ 水から出ていく分子の数と、水にとけこむ分子の数が同じだからです。出入りは止まっていないが、差し引きで変化がない状態がつり合い(平衡)です。条件を変えるとこのバランスがくずれ、一方向の出入りが多くなって新しいつり合いへ向かいます。Because the number of molecules leaving the water equals the number entering it. Movement has not stopped, but there is no net change; that is equilibrium. When conditions change, the balance is upset and more molecules move one way until a new equilibrium is reached.
2. 夏に池や川の水温が上がると、魚が水面近くで口をパクパクさせることがあります。このシミュレーションの結果を使って理由を説明しましょう。In summer, when the water in ponds and rivers warms up, fish sometimes gasp at the surface. Use what you saw in the simulation to explain why.→ 気体は水温が高いほど水にとけにくくなるので、水にとけている酸素の量が減ります。魚は酸素が足りなくなり、空気に近い水面で呼吸しようとします。Gases dissolve less in warmer water, so the amount of oxygen dissolved in the water decreases. The fish run short of oxygen and try to breathe at the surface, close to the air.

よくある誤解Common misconceptions

• 「温度が高いほど、どんな物質もたくさんとける」という誤解。多くの固体とは逆に、気体は温度が高いほどとけにくくなります。The idea that every substance dissolves more at higher temperatures. Unlike most solids, gases dissolve less as temperature rises.
• 「水の量を増やすと炭酸が濃くなる(または薄くなる)」という誤解。とける総量は水の量に比例して増えますが、濃さは温度と圧力で決まり、水の量では変わりません。The idea that adding more water makes the soda stronger (or weaker). The total dissolved amount grows in proportion to the water, but the concentration depends on temperature and pressure, not on the amount of water.

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