融点と沸点・状態変化の粒子モデル｜加熱曲線を自分でつくる教材
中学1年 / 第1分野 (2)身の回りの物質 (ウ)状態変化
加熱曲線の実験は、1分ごとに温度を読んで記録するので時間がかかります。温度が止まっているあいだは何も起きていないように見えて、生徒の手も止まりがちです。
このツールは、はじめは実験で見えるとおりの姿で加熱します。氷がとけて水になり、沸とうして、最後は容器が空に見えるところまで進みます。そこで「粒子で見る」に切り替えると、中の粒がどう並び、どう動いているかが見えます。温度が止まっているあいだも粒は次々にばらけていくので、そこで何が進んでいるかが分かります。
この単元で つまずくところ
- 温度が止まっているあいだも、熱は入りつづけている。 グラフの平らなところで「加熱をやめた」と読む生徒がいます。その間も粒が1つずつばらけていくのが見えます。
- すがたが変わっても、粒そのものは変わらない。 粒の色も数も変えていません。変わるのは並び方と動きの激しさだけです。だから状態変化では質量が変わりません。
- 融点・沸点は物質ごとに決まった値。 水は0℃と100℃、パルミチン酸は63℃です。ものさしのように使えます。
- 混合物には決まった沸点がない。 水とエタノールの混合物を選ぶと、沸とうが始まっても温度が上がりつづけます。純粋な物質との違いは、グラフの形を並べて見るのがいちばん早いところです。目もりは水と同じにしてあります。
- 混合物では、沸点の低いエタノールが先に気体になる。 2種類の粒を色で分けてあります。沸とうの始めに気体になるのはエタノールの粒が多く、あとから水の粒が続きます。蒸留の考え方につながります。
- 水蒸気は目に見えない。 見た目のまま最後まで加熱すると、容器は空に見えます。粒子で見ると、粒はすべて残って飛びまわっています。湯気は水蒸気ではなく、小さな水のつぶです。
- 気体は体積がとても大きい。 粒の数は同じまま、容器いっぱいに広がります。
- 水は例外で、固体のほうが体積が大きい。 氷の並びは水より広がっています。
このツールで 何が見えるか
- 見た目と粒子
- はじめは実験で見えるとおりの姿です。氷は水に浮き、沸とうするとあわが出ます。容器の右下の「粒子で見る」を押すと粒子モデルに切り替わり、もう一度押すと戻ります。
- 粒のようす
- 固体は規則正しく並んでその場でふるえ、液体はくずれて動きまわり、気体は容器いっぱいに飛びまわります。とけるのは火に近い下からです。
- 温度計
- 容器にさした温度計の液柱が上がります。目盛りは物質ごとの範囲に合わせて変わります。
- 加熱曲線
- 横軸が加熱した時間（分）、縦軸が温度（℃）です。火をつけたぶんだけ線が伸びます。
- 固体・液体・気体の割合
- 容器の上の帯に、いまの割合が%で出ます。
- 融点・沸点の線
- 表示のトグルです。既定ではオフで、自分で温度が止まるところを見つけてから出せます。
- 3つの物質
- 水（0℃/100℃）、パルミチン酸（63℃）、水とエタノールの混合物を切り替えられます。混合物は液体から始まり、水とエタノールの粒を2色で分けて出します。
授業での使い方
プロジェクターに映して、見た目のまま氷を最後まで加熱します。「水蒸気になった水はどこへ行ったのか」を聞いてから「粒子で見る」に切り替え、同じところをもう一度走らせます。
各自の端末で水の加熱曲線を最後まで走らせ、平らなところが2か所あることをノートに写します。そのあと「融点・沸点の線」を出して答え合わせをします。
水と、水とエタノールの混合物を同じ手順で走らせ、グラフの形を並べて比べます。「決まった沸点を持つかどうか」で純粋な物質と混合物を分けられることにつなげ、蒸留の実験へ進みます。
どの使い方でも、動かした条件はそのままURLに入ります。 画面の「リンクをコピー」を押して配れば、生徒の端末でも同じ画面が開きます。 生徒が見つけた条件のリンクを提出させれば、そのまま記録になります。
すぐ使える条件
- 氷のまま（加熱前）規則正しい並び
- 水がとけている途中温度は0℃で止まる
- 沸とうしている途中温度は100℃で止まる
- 水とエタノールの混合物沸とうしている間も温度が上がる
- パルミチン酸の融点63℃で止まる
あえて入れていないもの
中学校で教える形を優先して、省いている条件があります。 教科書や資料集の数値と合わないことがあるので、先に書いておきます。
- 加熱の強さは一定で、変えられません。
- 火を消すと時間が止まります。つまみを戻せば前の状態に戻ります。
- パルミチン酸の沸点（351℃）はこの範囲では扱いません。融点だけを見ます。
- 容器はふたをした状態です。粒は外へ出ていきません。
- 粒の数は42個です。実際の分子の数ではなく、並び方と動きを見るためのモデルです。
よくある質問
加熱はどうやって始めますか？
容器の下のガスバーナーを押すと火がつきます。もう一度押すと消えます。右のパネルの「火を つける」ボタンでも同じです。
粒子モデルはどうやって見ますか？
容器の右下の「粒子で見る」を押します。右のパネルの「粒子で見る」でも同じです。ページを開くたびに、見た目から始まります。
途中まで戻せますか？
「加熱した時間」のつまみを戻すと、その時点のようすに戻ります。粒の並びもグラフも戻ります。
融点・沸点の線は最初から出せますか？
「融点・沸点の線」をオンにすれば出ます。既定ではオフで、ページを開くたびにオフに戻ります。
水とエタノールの混合物の沸点はいくつですか？
混合物なので、決まった沸点がありません。読み取り欄にも「一定でない」と出ます。「融点・沸点の線」をオンにすると、水（100℃）とエタノール（78℃）それぞれの沸点の線が出ます。
ほかの教材は 中学理科ラボの一覧 から。
直してほしいところは 改善の要望 から。ツールの画面の「要望を送る」を押せば、そのとき見ていた条件のURLが付いた状態で開きます。