水の温度変化。

質問

化学の夏期課題をやっていてさっぱり分からない問題がありました。
解答は手元にあるのですが、読んでもいまいち分かりません。
分かりやすい解説（高２レベル）をお願いします。

１．
断熱容器の中で８０℃の水１００ｇと０℃の氷１００ｇを
混合したときの水の温度は４０℃か、４０℃より高いか、４０℃より低いか。
↓
私は４０℃だと思ったのですが、解答は４０℃より低いでした。
解説には熱量のことが書いてあるのですが、よく分かりません。

２．
断熱容器に１００℃の水蒸気を入れて加圧していくとどうなるか。
（ア）何も変化はない。
（イ）１００℃の水が生じる。
（ウ）１００℃よりも温度が高い水が生じる。
（エ）１００℃よりも温度が低い水が生じる。
↓
私はウだと思ったのですが、なんせ勘なので根拠は全然ありません。
解答もウで答えとしては正解なのですが、
「１００℃よりも温度が高い水」が存在するのかどうか疑問です。

３．
断熱容器に冷水を入れてポンプで排気するとどうなるか。
（ア）何も変化はない。
（イ）水は沸騰するが、水温は変わらない。
（ウ）水温が次第に上昇し、やがて沸騰する。
（エ）しばらくすると沸騰し、そのうち容器内の水は凍る。
↓
私はウにしたのですが、２と同様、勘なので根拠なしです。
解答はエでした。
「ポンプで排気する」ことの意味がよく分かりません。

分からないことだらけですが、１つでも分かれば教えて下さい。

回答No.8

ryumu

知ったかぶり大王のRYUMUです。
もうみなさん答えられているので、私のお得意？の定性的な解説を・・・

熱が高い-＞分子運動が激しい
水-＞水素結合をしたがる
ということを念頭に置いて・・・

１.
水分子は、溶液中よりも、氷中の方が周囲の水分子との水素結合による分子間の束縛が強いです。イメージ的にはいいでしょ？
氷の温度を上げると、加えた熱エネルギーは、分子運動の上昇と、分子間の束縛を弱めるのに使われます。つまり氷に加えた熱のうち、いくらかは分子間の束縛を弱めるの（氷-＞水の変化）に使われるため、水の温度は、予想（？）よりも低くなるのです。

2.
液体-＞気体へ移るとき、やはり水素結合を切るのにエネルギーを吸収します。
逆に、気体-＞液体では分子間の束縛により安定化するため、熱を放出してしまいます。
圧力を上げるということは、分子間の接触を増やすことになるので、気体-＞液体になる確率が増えるのです。そして、液体になるときに発熱することになります。

3.
となると、排気をすると分子間の接触を減らすことになり、液体-＞気体に移る確率が増えます。これに伴って、熱が吸収されます。そして、最後には液体の分子運動を起こすエネルギーも減少し、分子運動を小さくしてしまいます。すると水素結合の寄与が大きくなり、凍ってしまいます。

いかがでしょう？？

お礼

水素結合も関係していたのですね。
初めて知りました。
ありがとうございました。