容器いっぱいに水を入れ密閉し高温にすると？

質問

小学４年生の息子の質問です。　宜しくお願いいたします。
以前ドライアイスの作り方をご質問させて頂き　納得しておりましたが

『あれ？　圧力をかけると　ボ～ン！ってドライアイスができるんだよね。　(←簡単に言っています。)　温度を凝固点(常圧での)まで下げなくても　圧をかけたら　個体にできる・・・。
ってことは、　もし…なんか鉄みたいな硬い入れ物にドライアイスが入ってて・・・それを隙間がないように蓋をして　外から高温にしても・・・鉄の箱の中のドライアイスはもし測れたら熱いけど　個体のドライアイスのまま？ってこと？？？？圧がかかてると昇華しないってこと？』
と　？？？？？状態でおります。

例えば　水(液体)を何かほとんど変化できない材質の容器に隙間がない様に入れて　
蓋をして密閉する。
これを冷やしていくと　容器の中で氷(個体)になるのか？

他の物質なら　液体から個体になると容量が少し減るから大丈夫そうだけど・・・でも減圧されるから…減圧されてもへこまない容器だとどうなっちゃうわけ～？？？？？

水の場合は物質の中でも特殊で　個体になると　液体の時の1.1倍になるはずだから…　容器が変形できない場合どうなるの？？？
どんなに冷却しても液体のまま？？？？？

愚息の　【知りたい病】が始まりました・・・。

もしか高校化学？物理？　などを学習すれば解決できるのかもしれませんが・・・
母には永遠にたどり着けそうもありません。

理科系ダメダメな母 (←といって文科系ができるというわけでもないですが…)と
頭がキレるタイプではない小４年生の子ども でも理解できます様に　ご教授いただけますと大変ありがたいです。

何卒宜しくお願いいたします。

回答No.3

noname#231195 · ベストアンサー

#2です。

三重点という単語やその点にあまりとらわれないことですよ。
特徴のある点ですから名前がついているわけですが、状態図が表現しているのは少し別のことです。

二酸化炭素の状態図には「昇華」という単語に向かって水平な矢印が引いてあります。
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30203.html
これを例にとって、状態図が何を見せようとしているのか説明してみます。

まず読み取らなければならないのは、1気圧(1atm)の高さで水平に矢印が引いてあることです。1気圧というのは我々が生活しているこの場所の気圧です。

矢印に沿って右に目線を移動させていくとします。これは温度が高くなっていく様子を目で追いかけていることです。この間気圧は1気圧のまま変わりません。ドライアイスをそこらへんに放っておくとこの矢印に沿って状態が変化していくことに対応します。

なお、ドライアイスの周辺と芯の部分の温度が違うのではないかなどと考えると、話が混乱しますので、ドライアイスは全体が瞬時に均一の温度になると考えることにしましょう。
現実には瞬時に均一の温度にならないというのは、状態変化とは全く別の話題です。

矢印の初めの部分は固体と記してある範囲にあります。これは1気圧で-90℃あたりでは二酸化炭素は固体の状態なんだよ、ということをこの図は示しています。
矢印に沿って右に視線を移していくと、-56.6℃の所で矢印が気体と記してある範囲に移ります。これは1気圧で-56.6℃より高い温度では二酸化炭素が気体の状態にあるよ、ということを示しています。
つまり、二酸化酸素は一気圧の圧力下では固体からいきなり気体に状態が変化する(昇華する)ことがこの図から読み取れるわけです。

水の場合はどうなるかということについては、こちらの図↓で説明してみます。
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30202.html
この図では1気圧の高さに水平に点線が引いてあります。これをグラフの左端から目で追っていくことにしましょう。
まずグラフの左の方では固体の範囲にあります。つまり十分温度が低いところでは水は固体の状態にあるわけです。つまり氷です。
右に視線を移していくと、0℃の点で液体の範囲に入ります。つまり水は0℃で液体になること言うことを表しています。さらに右に移っていくと100℃の所で気体になります。
水は一気圧の元では、固体→液体→気体というふうに状態が変化するわけです。

もっと気圧の低いところでは、固体の範囲と気体の範囲が直接境を接しているところがありますね。つまり、気圧の低い環境の下では氷も昇華するということになります。

この状態図に縦に垂直な線を引いてしたから追いかけていけば、一定の温度で圧力をあげていったときにどう状態が変化するのかわかります。
二酸化炭素の状態図で0℃に目盛りが打ってありませんが、-56.6℃から31.1℃に3/4くらい行ったところが大体0℃です。ここに垂直な縦の線を引いたと考えてください。
圧力が低いところでは気体です。上に移っていくと大体40気圧くらいのところで液体になります。その後いくら上に行っても固体の範囲には入ってきません。ですから、0℃あるいはそれ以上の温度では、いくら圧力をあげてもドライアイスにはならないということをこの図は示しています。

この説明がご質問のポイントを外していたらゴメン。

なお、状態図は「こういうものである」ということを示しているだけです。
「なぜそうなるのか」ということについては、これは大変に専門的な話になり、大学の物理科の学生が4年の間に習うかどうかというテーマです。

お礼

今からリンクの図もプリントアウトさせて頂き　ご説明を咀嚼させていただきたいと思います。当方元々の教養に加えまして　少し脳機能もやられているのもので(脳梗塞で)理解に人様の何倍も時間と労力を要します(泣)。
年末年始のお忙しい中　詳しいご回答をありがとうございまいした。
理解できましたら再度ご報告をと思っております。
取り急ぎお礼のご連絡まで。
ありがとうございました。

補足

昨夜頂戴しましたご回答の方をプリントアウトさせて頂き　リンクの図と首っておりました。『1気圧で-56.6℃より高い温度では二酸化炭素が気体の状態にある。』のご説明の数値は‐78.5℃を打ち間違えされているだけですよね。状態図の詳しい説明を頂いてやっと意味がわかりました。
日常の疑問…特に科学的な疑問を解決(理解)するには　色々な知識がないと一足飛びに…というのは難しいのだなぁ…とつくづく感じました。
それでも　物質の状態変化は単純ではない事など　なんとなくイメージできる様になりました。リンクを辿らせて頂いたいたりまたそのサイトから飛んで…と辿っていきますと　…飽和水蒸気圧だとか…ボイルシャルルの法則だとか…理想気体と実在気体は違っていて…など…う～ん…理・理解・が・・・と…頭を抱える事にはなりましたが、『細かな事まで理解できるためには それ以前の知識や教養を深めないと難しいみたいよ…。』で、息子は納得してくれました。
物質の三態変化には　圧力が関わってくるので　容積が変わる事で圧が変わってきて凝固点や沸点を変化させる　という事は理解できた様です。
めっちゃ熱い氷も作れる・・・でも人間が触る事は現実的には無理…
というイメージになった様です。
『温度を上げた時とか下げた時の体積の変化をだして・・・　そこから圧力をだして・・・そしたら状態変化のグラフから　その時の水が氷なのか液体なのか気体なのかが分かるよね…　でもぼくには計算ができん～！　水は個体が液体の１．１倍になるから面倒くさいし…あ～でも気になる～…腹立つわ～！！』（←別に腹を立てる事ではないと思いますが…）と　言いながらも納得しておりました。
息子)『体積が一定の時の温度と圧力の関係の【定数？】っていうの？？が分ったら　簡単な計算はできるんじゃないかな？って思うんだけど…ママ調べられないの？』
私）『もう頭が回らん…　ママは難しい事考えると脳みそが付かれるんよ～！』
という事で　
とりあえずは　常圧以外での物質の３態変化をイメージ化できた事で
このお正月はよしとしよう！　という事になりました！

何度も詳しいご解説をありがとうございました。

回答No.2

noname#231195

『二酸化炭素について』
下のウェブサイトに二酸化炭素の状態図というグラフがあります。
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30203.html
これはある温度、ある圧力で物質(今の場合は二酸化炭素)がどのような状態にあるのか示したものです。
>個体のドライアイスのまま？ってこと？
そういうことにはなりません。グラフからわかるように、例えば0度付近では、いくら圧力をあげても固体にはなりません。

気体というのは分子が束縛なしで飛び回っている状態です。液体は分子同士が束縛されていますが、自由に位置を変えることができる状態です。固体はきっちりと束縛されていて位置を変えることもできません。

温度が高い場合、分子の運動は激しくなりますから、いくら圧力をかけても完全に分子の動きを束縛することはできないというわけです。

『水について』
>これを冷やしていくと　容器の中で氷(個体)になるのか？
なります。冷やす方向でも、圧力を高める方向でも分子の運動を抑える方向ですから、当然固体になります。
また、どんな物質でも圧力をかければ小さくなります。その度合いが極端に小さいので、一般には「液体と固体は圧力をかけても体積が変化しない」と言われているだけです。
今の場合は、強靭な仮想的な容器を想定していますから、この場合は体積は変わらずものすごい圧力が中でかかっていること言うことになります。

『ほかの物質について』
>減圧されてもへこまない容器だとどうなっちゃうわけ～？？？？？
二酸化炭素の状態図を見ていただけると分かるように、圧力の低いところでは、どんなに冷やしても固体にならない部分があります。ですから、体積の変化が非常に大きい場合には、圧力が極端に下がりますから、どんなに冷やしても固体になりません。
水の状態図はこうなります↓。
http://3.bp.blogspot.com/-rIiX0RNvnas/U0OL19UVM7I/AAAAAAAAAXs/so8gcCebQNs/s1600/%E6%B0%B4%E3%81%AE%E7%9B%B8%E5%9B%B3-grid%E7%84%A1%E3%81%97.png
温度を下げていくとどんなに圧力を下げても固体のままでいる状態になります。

お礼

お礼のコメントが遅くなり申し訳ありませんでした。
昇華には三重点などが関係していると耳に挟んではいたのですが、ウェブでは探してあげられず　「いいにしてよ…たぶん難しくてわかんないと思うよ…。」と放置していた　息子の【不思議未解決案件】の一つでした。　リンクを教えて頂き助かりました。ありがとうございます。
先ほど仕事が終わったところで…
今からご回答を咀嚼しながら拝読させて頂こうと思います。
詳しいご回答をありがとうございました。
取り急ぎ　お礼のご連絡まで。　年の瀬のお忙しい中ありがとうございました！

補足

水の三重点のグラフを見ると・・・余計に？？？になってしまい・・・思考停止してしまっております。（泣）
リンク頂いたサイトを始めから読んでいるところです。
全部理解できるかも怪しいのですが　ゆっくりゆっくり理解を進められたらと思っています。ご回答ありがとうございました。

回答No.1

B-juggler

えっと、元代数学の非常勤講師・電気工学出身　(o｀・ω・)ゞデシ!!

子供さんが理解されるように・・・。の前に、お母様が理解されないと！

まぁここに質問されているので、知ろうとされている、大事なことはクリア。

問題は理解されようとしているかだと思いますよ。

一緒に勉強する感じで行きましょうね！

　というのはね、圧力をかければドライアイスになる　とはいえないのですよ・・・。。

まず最初こっちから行きましょうか。

二酸化炭素の固体ですね、ドライアイス。　気体の二酸化炭素が冷えた状態で

液化した場合（この温度を沸点）「二酸化炭素の液体」ができるわけですね。

さらにこれを冷やしていくとある温度（この温度は凝固点）で「ドライアイス」になるのですね。

式はどうでもいいのですけれど

圧力が変わると、二つ上げた温度が変化するんですね。　
　＃これちょっと大事。

＞ってことは、　もし…なんか鉄みたいな硬い入れ物にドライアイスが入ってて・・・
＞それを隙間がないように蓋をして　外から高温にしても・・・
＞鉄の箱の中のドライアイスはもし測れたら熱いけど　
＞個体のドライアイスのまま？ってこと？？？？圧がかかてると昇華しないってこと？』
＞と　？？？？？状態でおります。

これは、体積が変化しないという考え方が導入されて来ましてね、
　＃一応式を軽く書きます
　＃「体積」×「圧力」＝「定数」×「温度」
体積が変化しませんから（鉄の容器で壊れない！）、圧力と温度は　＝　の式になりますね？
　＃定数　がはいりますが　定数ですから変化しませんので。
この場合は「熱いドライアイス」という状態ですね。

もう少し行くと、圧力がかかっているから、凝固点・沸点が変わっている！ってことです。
　＃上昇しているわけですね。

同じことが水にも言えます。
０℃で凍らない水　ができているってだけですね。
　＃この場合は、水が自分で体積を増やそうとすることで、圧力を加えるというかたちです。

当然凝固点の変化です。

ちなみにへこまない容器に、水蒸気を入れて冷やしても？
よければこれに回答を寄せてください。

わからないところがあれば、ご質問してくださいね。

わかってもらうことが大事なことですから（半分仕事のようなものです＾＾；）、
わかろうとしてくださいね。

(=^. .^=)　ｍ（＿　＿）ｍ　(=^. .^=)

お礼

あ！水を冷却した場合は
氷になる時に容積が増える事で加圧されるので　凝固点が上がり　全部氷になるのでしょうか？！？！？！

補足

ご返信が遅くなり申し訳ありませんでした。
午後から仕事が立て込んでおりまして　こんな時間になってしまいました。
お許しください。
お昼に　ご回答を頂戴している事に気がつき、　
私)『お返事頂いてるよ！　お仕事終わったら読んで教えてあげるからね！』
息子)『見せて！見せて！』
私)『ちゃんとお勉強されてる方からみたいよ！　お兄さんかおじさんかは分からないけど！』
息子)『　～デシ！　だからきっとお兄さんだよ！』
と 喜んでおりました。　
息子のワクワク感をわしづかみ下さった様で
『明日起きたらすぐ教えてね。』と楽しみにしております。
一文めから　楽しいご回答をありがとうございました。

母の私ですが…分かった感じが…(笑顔)！！

下記に　母の頭の中を…つづりますので　この理解であっているのか…
お手数をおかけいたしますが　採点して頂けますと有難く思います。
宜しくお願いいたします。

私たちのいる　普通の環境では　１気圧(前後？)で…
【その条件下】（プラス温度も）で　物質が３態変化していて…
気圧がかわらないのを前提に 水を基準に　凝固点を０℃　沸点を０℃と決め100等分して摂氏（？）になっているだけ！
かかる圧力が変われば　水だけでなく　他の物質の凝固点・沸点は変わる。
山頂では水の沸点が低く９０℃くらいと言われているのは　気圧が下がった事で沸点が下がったからでもちろん凝固点も低くなっている(って事だったのね～。)

【水】を息子の言う　変形しない容器に密封した場合・・・
体積は一定なので　温度↑＝圧力↑。
水を加熱していくと　圧力も上がるので　圧力の条件が変化している。
ドライアイスを作る際に加圧しているのと同じで　圧がかかっているので
高圧にすると　凝固点や沸点は高くなる。
という事は・・・　例えば容器の中の水が150℃になっていても、体積を変えられない為、加圧されている状態。加圧されていて１００℃では沸騰しないから・・・150℃の水(液体)？！？！？！（飛んであちこちに行きたいのだけど閉じ込められているから　水分子は限られたスペースで動くしかなく 、元気は有り余ってるのに窮屈だなぁ…といった感じで、仕方なく液体の水の様な感じ？！？！）

【氷(個体)】を密閉容器に入れて加熱すると…
これも圧がかかり　凝固点(融解点)が上がるので…融解しないまま・・・
容器の中の氷(個体)が５０℃になっていても個体の氷のまま？！？！？！
（熱をもらった分、パワーがでて動きたいのだけど　動ける容積が変わらないので　仕方なくお隣近所の分子さんと同じ距離間を保ちながら＝氷の状態で動けないまま固まっている）

【水蒸気】だと…
これを冷却していくと　温度↓＝圧力↓　なので
減圧されることで・・・凝固点　液化点が低くなる…
容器の中は50℃の水蒸気・・・という感じ・・・？！？！？！
（温度が下がった事で分子の運動がゆっくりになって…パワーも弱くなるのだけど…容器が変化しないので…温度が高かった時よりガンガンぶつかりあわず…ただのんびりと自由に動いて…容積に余裕があるので水(液体)にはならないでいい・・・くっつく必要がない…？！？！といったイメージ？！？！）あれ？あれ？　なんだか…母の頭の中には　密度の薄い(実際は分子は同じはずなのですが…動きがゆっくりののんびりした気体）の様な変なイメージが出来上がってしまいました。

あれ？？　氷が密閉容器で加熱される時も…？？？　
あ～どうにかして！液体になりたいのに！と体力いっぱいの氷分子が我慢している様なイメージが…。

こんな感じの理解に至ってしまったのですが…いかがでしょうか…。
なんだか・・・変です・・・・（苦笑）。

お手間をおかけいたします。
すみません。