物質と粒子 - 粒子モデル・密度・状態変化
物質と粒子の分野では、物質を粒子の集まりとして捉え、状態変化・密度・混合物の分離・熱の出入りを説明できるかが問われる。目に見える現象を、粒子の運動や間隔、質量や体積の関係に結び付けて考える。
粒子モデルと状態変化
固体は粒子が規則正しく並び、粒子同士が引き合って形を保つ。液体は粒子間の距離が固体に近いが、粒子がずれ動けるため形が変わる。気体は粒子間が非常に大きく、粒子が自由に飛び回る。状態変化では粒子の種類と数は変わらず、質量も保存される。体積は変わるが、水が氷るときのように体積が増える例外がある。温度は粒子運動の激しさの目安で、熱は高温から低温へ移動するエネルギーである。水1gの温度を1℃上げるには約4.2Jの熱量が必要である。
密度と分離
密度は質量÷体積で求め、単位はg/cm³を使う。同じ体積なら密度が大きい物質ほど質量が大きい。水の密度を1.00g/cm³として、水に浮くか沈むかを判断する。純粋な物質は融点や沸点が一定だが、混合物では一定にならない。沸点は液体が気体になる温度、融点は固体が液体になる温度である。混合物は、ろ過・蒸留・再結晶などで分離する。蒸留は沸点の差を利用し、ろ過は溶けていない固体と液体を分ける操作である。物質は有機物と無機物、金属と非金属にも分類され、有機物は炭素を含み、燃焼すると二酸化炭素と水が生じるものが多い。
例題
質量54.0g、体積20.0cm³の金属の密度を求め、水に入れたときの浮き沈みを判断する。密度は54.0÷20.0=2.70g/cm³。水の1.00g/cm³より大きいので、この金属は水に沈む。単位と有効数字をそろえ、答えにg/cm³を付ける。
失点しやすい点
状態変化で質量まで変わると考えたり、密度の単位をkg/m³と混同したりする誤りが多い。粒子モデルでは「粒子の間隔」と「粒子の数」を分けて説明する。水の状態変化では体積変化の向きにも注意する。