「氷がとけている間、温度が上がらないのはなぜ？と聞かれて答えられなかった」「湯気と水蒸気のちがいを、子どもがよく分かっていない」
水の三態（氷・水・水蒸気）は、中学受験の理科で、もののすがたの変化として出題される単元です。加熱したときの温度変化のグラフ、体積の変化、湯気と水蒸気のちがいなど、身近な現象を正しく説明できるかが問われます。
この記事では、塾なしで中学受験を目指すご家庭に向けて、水の3つのすがたと変化、温度変化のグラフ、体積の変化、もののあたたまり方を整理し、家での覚え方をまとめました。
水の3つのすがた
水は、温度によって、3つのすがたに変わります。
- 固体：氷。形が決まっている
- 液体：水。形は入れ物に合わせて変わるが、体積は変わらない
- 気体：水蒸気。目に見えない。広がって、決まった形や体積がない
水（液体）を冷やすと0℃でこおって氷になり、氷をあたためると0℃でとけて水になります。水を熱すると、100℃でふっとうして、さかんに水蒸気になります（ふつうの気圧のとき）。
水は0℃でこおる・とける、100℃でふっとうする。この2つの温度が基本です。
じょう発とふっとう
水は、100℃にならなくても、水面から少しずつ水蒸気になって空気中に出ていきます。これを「じょう発」といいます。洗たく物がかわくのは、じょう発のためです。
100℃で、水の中からもさかんに水蒸気が出てくることを「ふっとう」といいます。ふっとうしているときに水の中から出てくる大きなあわは、水蒸気です。
加熱したときの温度変化のグラフ
－20℃の氷を、一定の強さで加熱し続けると、温度は次のように変わります。
- 氷の温度が0℃まで上がる
- 氷がとけている間は、0℃のまま変わらない（氷と水がまざっている）
- 全部とけて水になると、温度が100℃まで上がる
- ふっとうしている間は、100℃のまま変わらない（水と水蒸気）
とけている間やふっとうしている間に温度が変わらないのは、加えた熱が、温度を上げるためではなく、すがたを変えるために使われているからです。
氷がとけている間は0℃、ふっとうしている間は100℃のまま。熱はすがたを変えるのに使われます。
体積の変化
水は、すがたが変わると、体積も変わります。
- 水が氷になると、体積は約1.1倍に増える
- 水が水蒸気になると、体積は約1700倍に増える
多くの物質は、液体から固体になると体積が小さくなりますが、水は氷になると体積が大きくなる、めずらしい物質です。そのため、氷は水にうきます。冬に水道管が破れることがあるのは、中の水がこおって体積が増えるからです。
例題1：水100cm³をこおらせると、氷の体積はおよそ何cm³になりますか。
約1.1倍になるので、およそ110cm³です。なお、重さは変わらず、すがたが変わっても水の重さは同じです。
湯気と水蒸気のちがい
やかんで水をふっとうさせると、口から白い湯気が出ます。でも、口のすぐ近くは、すき間のように何も見えません。
- 口のすぐ近く：水蒸気（気体）。目に見えない
- 白く見える部分（湯気）：水蒸気が空気で冷やされて、小さな水のつぶ（液体）になったもの
- さらに離れると見えなくなる：水のつぶが、またじょう発して水蒸気になったため
湯気は「液体（小さな水のつぶ）」、水蒸気は「目に見えない気体」。
冷たいコップのまわりに水てきがつくのも、空気中の水蒸気が冷やされて水になったものです。
もののあたたまり方
ものをあたためるときの熱の伝わり方には、3つあります。
- 伝導：金属など、熱した部分から順に熱が伝わる
- 対流：水や空気など、あたためられた部分が上に動き、全体が動きながらあたたまる
- 放射：太陽やストーブの熱のように、はなれたところに直接熱が伝わる
金属の板の一部を熱すると、熱したところから円を広げるように熱が伝わります。水を入れたビーカーの底を熱すると、あたためられた水が上に動き、上のほうから先にあたたまります。
部屋のエアコンで、だんぼうは下向きに、れいぼうは上向きに風を出すとよいといわれるのも、あたたかい空気が上に、冷たい空気が下に動く対流の性質を利用しています。
応用：熱の量と、お湯をまぜたときの温度
1gの水の温度を1℃上げるのに必要な熱の量を、1カロリーといいます。
例題2：100gの水の温度を、20℃から30℃に上げるのに必要な熱の量は何カロリーですか。
100gの水を10℃上げるので、100×10＝1000カロリーです。
例題3：40℃の水100gと、10℃の水200gをまぜると、何℃になりますか。ただし、熱は外に逃げないものとします。
あたたかい水が出した熱と、冷たい水が受け取った熱は等しくなります。まぜたあとの温度は、「水の重さ×温度」の合計を、全体の重さでわって求められます。
（100×40＋200×10）÷300＝6000÷300＝20℃です。
これは、算数の平均算や食塩水のてんびん図と同じ考え方です。てんびん図で考えると、重さの比100：200＝1：2の逆比2：1で、40℃と10℃の差の30℃を分けて、10＋10＝20℃とも求められます。
よくあるまちがいと対策
- 湯気を気体と答える：湯気は小さな水のつぶ（液体）
- 氷がとけている間も温度が上がると考える：とけている間は0℃のまま
- 水が氷になると体積が減ると考える：水は氷になると体積が増える
- 水のあたたまり方を伝導と答える：水や空気は対流であたたまる
家庭での覚え方のコツ
やかんの湯気を観察する
やかんでお湯をわかすときに、口のすぐ近くと、少しはなれたところを観察してみましょう（やけどに注意して、大人がいっしょに）。透明な部分と白い湯気の部分のちがいが、自分の目で確かめられます。
氷をとかして温度をはかる
コップに氷と少しの水を入れて、温度計で温度をはかってみてください。氷が残っている間は、ほぼ0℃のままです。グラフの平らな部分の意味が、実感できます。
ペットボトルで体積の変化を見る
水を入れたペットボトル（少しすき間を残して）をこおらせると、ふくらんでいることが分かります。水が氷になると体積が増えることを、身近なもので確かめられます。
水の三態のよくある質問
何年生で学びますか？
小学校の理科では、4年生で水のすがたの変化や、もののあたたまり方を学びます。中学受験向けの教材では、4〜5年生ごろに学び、6年生でグラフや熱量の計算などの応用問題に取り組みます。
熱量の計算も出ますか？
学校によっては、「1gの水の温度を1℃上げる熱の量」を使った計算問題が出ます。まずはこの記事の基本を確実にしてから、参考書で計算問題に進みましょう。
水以外の物質の変化も出ますか？
はい、ろうなどの物質が、固体から液体になると体積が増える（固体はしずむ）ことと、水との比較がよく出ます。「水は例外」という点を押さえておきましょう。
水の三態の家での進め方
- 固体・液体・気体と、0℃・100℃
- じょう発とふっとう
- 加熱したときの温度変化のグラフ
- 体積の変化（例題1）、湯気と水蒸気
- もののあたたまり方
練習問題にチャレンジ
問題1：氷を加熱していくと、とけている間の温度はどうなりますか。
問題2：やかんの口から出る白い湯気は、固体・液体・気体のどれですか。
問題3：水が氷になると、体積はどうなりますか。
問題4：ビーカーに入れた水の底を熱すると、水はどのようにあたたまりますか。
答え
問題1：0℃のまま変わりません。
問題2：液体です。水蒸気が冷やされてできた、小さな水のつぶです。
問題3：約1.1倍に増えます。
問題4：あたためられた水が上に動き、上のほうから全体があたたまります（対流）。
練習プリント（無料）
この記事の内容をたしかめる「初級」の練習プリントです。問題1ページと、解答・要点まとめ1ページのA4のPDFです。印刷して使ってください。
まとめ：水の三態は「温度」と「すがた」をセットで
水は、0℃でこおる・とける、100℃でふっとうし、すがたを変えている間は温度が変わりません。水が氷になると体積が増え、湯気は液体、水蒸気は目に見えない気体です。身近な現象と結びつけて、理由まで説明できるようにしましょう。
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