問題
水の性質および状態変化について、正しいものはどれか。
(1) 純水に食塩を溶かすと、凝固点は高くなる。
(2) 水は0℃で最も密度が大きくなる。
(3) 液体が気体になるときには、周囲から熱を吸収する。
(4) 水蒸気が液体の水になる変化を昇華という。
(5) 水の沸点は、圧力が低くなるほど高くなる。
危険物取扱者乙種４類｜水の性質と状態変化を解説
水の性質や状態変化では、凝固点降下、水の密度、蒸発・沸騰・凝縮・昇華などの用語、圧力と沸点の関係がよく問われます。答えは(3)です。液体が気体になる蒸発や沸騰では、分子が液体の状態から飛び出して気体になるためのエネルギーが必要になり、周囲から熱を吸収します。
(1) 純水に食塩を溶かすと、凝固点は高くなる。
不適切です。純水に食塩などの溶質を溶かすと、凝固点は高くなるのではなく低くなります。これを凝固点降下といいます。たとえば、冬に道路へ凍結防止剤をまくのは、水が凍り始める温度を下げるためです。純水は通常0℃で凍りますが、食塩水は0℃より低い温度にならないと凍りにくくなります。試験では「凝固点は高くなる」と「沸点は高くなる」を入れ替えて出題されることがあるため注意が必要です。
(2) 水は0℃で最も密度が大きくなる。
不適切です。水は約4℃で最も密度が大きくなります。多くの物質は冷やすほど密度が大きくなりますが、水は特殊で、0℃付近で氷になると体積が増え、密度は小さくなります。そのため氷は水に浮きます。水の密度最大は0℃ではなく約4℃という数値は、物理・化学分野で頻出です。
(3) 液体が気体になるときには、周囲から熱を吸収する。
適切です。液体が気体になる変化には、蒸発や沸騰があります。このとき、液体の分子が気体として自由に動ける状態になるためにはエネルギーが必要です。そのため周囲から熱を吸収します。この熱を気化熱といいます。汗が蒸発すると体が冷えるのも、汗が気体になるときに皮膚から熱を奪うためです。状態変化では、液体から気体は吸熱、気体から液体は放熱と整理して覚えると正誤判断がしやすくなります。
(4) 水蒸気が液体の水になる変化を昇華という。
不適切です。水蒸気が液体の水になる変化は凝縮または凝結といいます。昇華とは、固体が液体を経ずに直接気体になる変化、または気体が直接固体になる変化を指します。たとえば、ドライアイスが液体にならず二酸化炭素の気体になる現象は昇華です。水蒸気が冷えて水滴になる現象は、昇華ではなく凝縮です。
(5) 水の沸点は、圧力が低くなるほど高くなる。
不適切です。水の沸点は、圧力が低くなるほど低くなります。高い山の上では気圧が低いため、水は100℃より低い温度で沸騰します。逆に圧力鍋では内部の圧力を高くすることで、水の沸点を100℃より高くし、高温で調理できます。圧力が高いほど沸点は高く、圧力が低いほど沸点は低いと覚えましょう。
この問題で覚えるポイント
水の凝固点は通常0℃ですが、食塩などを溶かすと凝固点は低くなります。これを凝固点降下といいます。水は約4℃で密度が最大となり、氷になると体積が増えて密度が小さくなるため水に浮きます。液体が気体になる蒸発や沸騰では周囲から熱を吸収し、この熱を気化熱といいます。気体が液体になる凝縮では熱を放出します。昇華は固体から気体、または気体から固体へ直接変化する現象であり、水蒸気が水になる変化とは区別します。水の沸点は圧力が高いほど高くなり、圧力が低いほど低くなります。凝固点、密度最大の温度、状態変化の名称、圧力と沸点の関係をセットで覚えると、このテーマの問題に対応しやすくなります。
ひっかけポイント
このテーマでは、日常感覚と理科の知識のズレを利用したひっかけが多く出ます。特に、水は冷たいほど密度が大きいと思い込みやすいですが、実際には約4℃で最大となり、0℃の氷では密度が小さくなります。また、凝固点と沸点の変化を混同し、食塩を溶かすと凝固点が高くなると誤判断しやすい点にも注意が必要です。状態変化では、昇華、凝縮、蒸発、融解、凝固の用語が似ているため、変化前と変化後の状態を確認することが重要です。さらに、圧力と沸点の関係では、圧力が低いほど沸点も低くなるという原則を、圧力が低いから沸騰しにくいという日常的なイメージで逆に覚えないようにしましょう。
