中学校理科の第1学年、第1分野「身の回りの物質」の「状態変化」です。小学校4年では、水が温度によって水蒸気や氷に変わること、水が氷になると体積が増えることを学びました。中学校では、それを水以外の物質にも広げ、粒子のモデルを使って説明します。物質を加熱したり冷やしたりすると、固体・液体・気体の間で状態が変わります。これは別の物質に変わるのではなく、同じ物質の状態が変わるだけです。物質をつくる粒子の数や大きさは変わらないので、質量は変わりません。変わるのは粒子の運動の様子と集まり方で、固体 → 液体 → 気体と変わるにつれて粒子の運動は激しくなり、粒子どうしの間隔が広がります。そのため、多くの物質では体積が大きくなります(液体から気体では非常に大きくなります)。質量が変わらずに体積が変わるので、密度(質量 ÷ 体積)も変わります。多くの物質は固体から液体になると密度が小さくなります。水は例外で、氷になると体積が大きくなり、密度が小さくなるので、氷は水に浮きます。状態変化の実験では、体積が変わることで容器が破損したり破裂したりすることがあるので、教科書や先生の指示に従って行います。

つまずきやすいところ

「体積が増えたから質量も増えた」と考える間違いが多く見られます。粒子の数は変わらないので、質量は同じです。
粒子のモデル図で、状態が変わると粒子そのものが大きくなる、あるいは数が増えるとかいてしまうことがあります。変わるのは間隔と運動の様子です。
水が氷になると体積が増えることを一般化して、どの物質も固体の方が体積が大きいと思い込むことがあります。ろうなど多くの物質では逆です。
「体積が大きくなると密度はどうなるか」で、大小を逆に答える間違いが見られます。密度 = 質量 ÷ 体積なので、質量が同じなら体積が大きいほど密度は小さくなります。
液体のろうに固体のろうを入れると沈む理由を、「固体の方が重いから」とだけ答えてしまうことがあります。同じ質量で比べて体積が小さい、つまり密度が大きいことまで言えるようにします。

教え方・声かけのコツ

「状態が変わっても、粒子の数と質量は同じ」と先に確認してから体積の変化を考えさせると、混乱しにくくなります。
粒子のモデル図は、固体は規則正しく並んでその場で振動する、液体は位置を変えながら動く、気体は間隔が広く自由に飛び回る、と3つを並べてかかせると、違いが整理されます。
氷が水に浮くことを身近な例にして「水は特別」と伝えると、例外の位置づけがはっきりします。
エタノールを入れた袋に湯をかけるとふくらむ、といった実験が教科書でよく使われます(教科書によって異なります)。結果を粒子の動きで言葉にさせると、体積と質量の関係が結びつきます。

運営者の見方

状態変化は、見た目の変化(体積)、見えない変化(粒子)、変わらない量(質量)の3つが同時に出てくる単元です。「ポイント」では、状態変化とは何かと粒子のモデルの図、体積と質量の関係(固体→液体は少し、液体→気体は非常に大きくなる表)、密度の変化を順にまとめ、例題で「ろうがとけると密度はどうなるか」「氷が水に浮くのはなぜか」を確かめます。「問題」は、状態変化の基本(用語・粒子の数・質量・粒子の運動)、体積と密度の変化、ろうの状態変化の実験・考察の3つの大問です。計算の大問はありませんが、密度 = 質量 ÷ 体積の関係を使って大小を判断する問いが多く入っています。最後の大問では、20.0 g の固体のろうをとかしたときの質量や密度を考え、固体のろうが液体のろうに沈む理由を書きます。赤い字は赤シートで消える語句で、状態変化、粒子、体積、質量、密度を確かめられます。

よくある質問

Q. 氷になると体積が増えるのは、水だけですか。
A. 水は液体から固体になると体積が増える、めずらしい物質です。ろうなど多くの物質は、固体になると体積が小さくなります。

Q. 状態変化で質量が変わらないのはなぜですか。
A. 物質をつくる粒子の数が変わらないためです。変わるのは、粒子の間隔や運動の様子です。

Q. 状態変化と化学変化は、どう違いますか。
A. 状態変化は、同じ物質のまま状態が変わることです。化学変化は別の物質に変わることで、中学2年で学びます。