2008年02月06日

水の沸点は100度じゃない【2/9:解決策を追記】

小学校3年生か4年生ぐらいの理科では、こんな実験をします。
ビーカーに水を入れ、バーナーで熱し、水のようすを観察しながら温度計で水温を測る……「何度でお湯が湧くか(水の沸点は何度か)」を確認するというような目的の実験ですね。

××分×秒で湯気が出て来た、いま××度だ。ぷくぷくと泡が出てきた、××度だ。100度だ! ぼこぼに激しく泡が出てるぞ! なんて展開が期待されているわけですね、きっと。

覚えている方もおいででしょうね。でも、「実際に100度でお湯が沸いた」っていう方って、どんぐらいいるのでしょうね。

というのは、何年か前にムスメの担任の先生に聞いたのですが、教室では沸騰したときの水温が100度にならない子どもが続出しているそうなんです。

●先生も困ってるらしい
1、2度違う程度ならともかく、たとえば90度ちょいで沸騰したという子どもなども出てきちゃったりするので、クラス全体で平均を求めても全然100度にならなかったりもするそうです。40人程度とはいえ数班にわかれてですし、みんな一緒に実験するわけですから、変な結果ばっかりってこともありそうですね。

ほとんどの場合、学校での実験では水道水を使って行われるでしょうし、ビーカーや温度計の洗浄もおざなりでしょう。前に使った薬品が完全に落ちていない、なんてこともあり得るわけです。ですから、水に、目に見えない程度の異物が混入するのでしょう。それ以外の要因もあるのかもしれません。いずれにしても実験環境の精度みたいな問題で、実験技術の問題ではありませんよね。
教室では「それは間違っている、きっとお前のやり方が悪いのだ」などとはならず、「みんなが体験したことは、それはそれでオッケー」とするのだそうです(個人的体験は否定できないですし、前述のようにそもそも子どもたちに問題があるわけではなさそうですから、当然と言えば当然です。実は別の理由だとしても)。

ただ、その後で「教科書を見てみよう。お湯が沸くのは100度だと書いてあるね。これを覚えてね」なんていう木に竹を繋いだような説明や、「エラい人たちが確かめた」みたいな話とかでお茶をにごすことが、どうしても多くなるそうなんです。
小学校の先生にお話を伺うと、こういう実験で、先生が説明に苦慮するといったシーンは日常的に展開されているそうなのです。

これがマズい説明ってことは、先生方もわかってる。
「じゃあ、実験なんかしないで、教科書見てればよかったじゃん」みたいな反応だって容易に想像できますもんね。

●保護者ももっと困るらしい
もっと困ったのが、保護者会で聞いた話。
あるお母さんが言うんです。
ご家庭で息子さんの復習につきあっていたときの話だそうなんですが、この件でテストで×をもらっちゃった。

「ぼくは実験のときに98度でお湯がわいた。だからそれを書いた」

と息子さんが言うんだそうなんです(温度はうろ覚えです)。自分の観察結果はちゃんと覚えている。でも、それは正解ではない。
お母さん、説明に困ってしまったそうです。保護者会でも、「なんていえばよかったんでしょうか」という形で話題にされていたと思います。

先生の話の一部は、この質問に応える形で聞いたんです。詳しいところは後で個人的に面談かなんかで聞いたんですけどね。

んで、ひょっとして、ちょっと発想を変えてみるのがよいのではないか、と思ったことがあったなあ、とさっき思いだしたのです(ああ、ややこしい)。

●それを「ネタにする」のはいかがでしょう
たとえば「条件を整えることの重要性」や、「ひとつの事実を確かめるのは大変なのだ」ということを知るチャンスとして使う、というのはどうでしょう?

実験のあと、子どもたちが結果を発表します。100度にならない子どももいます。そしたら「××度から××度ですね。みんな、だいたい100度前後になりましたね。実は、こういう実験は世界中で何度も何度も行われていて、『水が沸騰するのはちょうど100度』ということが知られています」なんていう話から始めるわけです。

実際問題、平均を出したら100度になったとしても、もとは多数決で沸点を決めたわけではないはずで、理想的な環境下で確認すると誰がやっても常に100度になるわけですよね、きっと(前述のwikipediaでも「水の沸点(標準状態下)」って書いてありましたし、1気圧のとき、とか、そういうのも入るわけですよね。山の上などで気圧が下がると沸点が下がるとか、あれですよね、多分。なんでそうなのかは、ここの「2」がわかりやすかった。不意に「まさか、水の沸点を基準に100度を定めたんじゃないだろうな」と不安になって調べたけど、そういうことはなさそうで一安心)。

んで、そんな話をして、不純物が入ると沸点が変わるんだったら、不純物を避けるためにはなにをすればいいんだろう、なんて考えてみることもできる。蒸留水を用いるとか、清潔にする(そういえば理科の先生は白衣を着てる。関係あるのかな。服を汚さないためもあるか?)とか、ビーカーなど器具は徹底的に洗う、器具を素手で持たないとか、そうだ手を洗おうとかとか、子どもたちだっていろいろ考えつくと思うんですよね。

学校では「水の沸点は100度」という「知識を覚えてほしい」のでしょうから、あまり脇筋に入るとまずいでしょう。だけれども、「道具立てが実験っぽければ実験なんじゃない」とか「条件を整えるって大事よ」とかってことは、折りに触れて知る機会があるといいなあとか、「水の沸点は100度」みたいに「××は○○」と言われている「定説はどうやって確かめられたのか、どうやって共有されたのか」なんてことを、身近でわかりやすく話題にできるといいなあ、と『水伝FAQ』を書いていて、思ったのであります。はい。

●余談
これを書くために、さっきちょっとごそごそググって見つけたネタも、少しご披露しましょう。

「水になんかが混ざってると沸点は100度にならない」ってことでは、このブログ記事がおもしろかったです。

飲料水の沸点を調べたい (●ロバラヂオ● 2005/12/27)

なにやってんだ(^◇^;) こういうの好き(^^
コメント欄は、ふつうに勉強になります。

次はビックリした話。
この定義により、水の沸点はちょうど100°Cから99.974°Cに変更された。

なんだってー!?

……ホントに100度じゃないんじゃん……。

ま、0.03°Cなんてすげえ細かいところ簡単には測れないし、事実上100°Cでいいんでしょうけど、知らなかったよ。びっくりしたよ。

2008/02/09追記
鈴柩さんが、「小学校でもできそうな方法」を模索しつつ実験してくれました!

水の沸点を100℃にする方法(日々の戯れ 2008/02/09)

みごとに100度になってます! いやあ、空冷の冷却力、侮り難しですねえ。

今年から、みんな悩まなくてよくなるといいですね!(^^)
posted by 亀@渋研X at 10:39 | Comment(18) | TrackBack(2) | 学校とか教育とか | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする はてなブックマーク - 水の沸点は100度じゃない【2/9:解決策を追記】
この記事へのコメント
沸騰を観察するって、何をもって沸騰と思うかですが。ぼこぼこ泡立つのはとけこんでる気体が出てきてるので、水の沸点と関係ないですね。たぶん、それじゃないかな。
ちゃんとやろうと思ったら、蒸留水を使うか、一度沸騰させて気体を追い出してから、改めて冷ました水を使うんですかね。あと、できれば温度が均一になるように、ゆっくり暖めるのかな。やったことがないから、知らないけど(^^;)、そのくらいはやらないとだめそうな気がする。
 
正しくは「その温度で充分長時間放置したときに、水蒸気なのか液体なのか」をみなくちゃならないはずだと思う。水をいれた容器をピストンで密閉し、外から1気圧で押しつつ、温度をゆっくり上げる、とかするのでしょうか。よく知らないので、思いつきで言っています。物理学者がこう言った、とか思わないように。でたらめかもしれん(^^;
 
それはさておき、小学校の実験でどうするのかですね。とりあえず、水道水そのままってのは、だめかもね。あとは「何を観察すればいいのか」でしょう
Posted by きくち at 2008年02月06日 18:44
>ぼこぼこ泡立つのはとけこんでる気体が出てきてるので、水の沸点と関係ないですね。たぶん、それじゃないかな。

ああっ、そんなところに落とし穴が!
水の温度って、沸点以上には上がらないンですよね、確か。だとすると、考えてみれば、蒸留水でも使って、もう飽きるほど沸かして温度が安定してから測ったっていいんですよね?

あとですね、水温じゃなくて、水面のすぐ上の水蒸気を測るってやり方もあるとかって、どっかで見ました。水に温度計を突っ込んだら、温度計に付着しているものとかが水に入っちゃうからかな。

ちなみに、下記によると「開放系では無理でしょう」だって(-_-)

正確に水の沸点を測定する方法 - 教えて!goo
http://oshiete1.goo.ne.jp/qa1412606.html
Posted by 亀@渋研X at 2008年02月06日 19:01
初めまして
小学校の教師をしております
沸点の実験も何度かやったのですが
97度程度での沸騰が多いですね
実験の精度もできるだけ
がんばってみたりしましたが
どうやら
小学校にある温度計の精度が
一番の問題のように感じています
大抵100度までのアルコール温度計なので
100度近辺の精度はやけに落ちるようです

http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/ubung/yyosuke/uebung/thermometer2.htm

上のサイトを読むと
ガラス温度計は全部沈めた状態で
目盛が刻まれるようなので
温度計の管の部分のアルコールも
100度で膨張させなくては
正しい温度が計れないということなのでしょう
小学校でも
でっかい鍋に温度計を沈めて実験すれば
沸点が100度になるのかもしれません
・・・現実的ではないですが
Posted by 鈴柩 at 2008年02月07日 05:50
鈴柩さん、こんにちは、ようこそ。
filinionさんのところでお名前は拝見していました(と思ったら、poohさんのところでも(^^;; http://blog.so-net.ne.jp/schutsengel/2007-02-27-1 )。

温度計自体の温度ってことですよね!?
ううむ……落とし穴がたくさん……。

電子式のデジタル温度計だとどうかな、と調べてみたら、なんと、いちばん安いものでもアルコールを使った棒温度計のおよそ10倍の値段……。

温度を測るというのは、なかなか難しいものだったのですねえ……。
Posted by 亀@渋研X at 2008年02月07日 21:50
そう言えば以前、職場の先輩が、「ここは標高が高い。ヤカンの湯も、すぐに沸く。」と言っていました。ううむ、標高差700mくらいで、すぐに分かるような顕著な差が出ましたかしら?^^;
Posted by TAKA at 2008年02月08日 03:25
えーと、その職場の気圧が低かったとか(^^;;
Posted by 亀@渋研X at 2008年02月08日 09:43
実験してみました
その際
コチラのURLを紹介させて頂きました
事後報告ですみません
都合が悪ければ消します
 
結論としては
普通の教室環境でも100℃にできそうだ
ということです
Posted by 鈴柩 at 2008年02月09日 21:45
ああっ!! す、すごい……「開放系じゃダメ」って、そういうことだったんですねえ……。

上記記事の本文に、追記させていただきますっ!
Posted by 亀@渋研X at 2008年02月09日 22:19
>職場の気圧が低かったとか

なるほど、あの時はみんな疲れ果てていて、おまけに低気圧が近づいていました。これで長年の疑問が解決しました(^^。

>開放系
真空なら、あっという間ですね。(低気圧どころではない^^;)
Posted by TAKA at 2008年02月10日 03:09
>真空

失礼、「乾燥した」宇宙空間ではという意味でしたorz。
Posted by TAKA at 2008年02月10日 03:14
全然関係ない特ヲタらしいヒマネタなんですが、昔会社の同僚と昼飯を喰っていたら、

「しかし、『ゼットンのはくひのたまのおんどは1ちょうど』ってどんな温度計で測ったんだろうな、1兆度でも熔けないんだから、物凄い丈夫な温度計なんだろうな」

…というステキな質問を受けたので、喰ってたあんかけ焼きそばを鼻から三本噴くほど腹抱えて笑いました。
Posted by 黒猫亭 at 2008年02月10日 15:39
亀さん(^.^)
こんにちは。
ご無沙汰しています。

板倉聖宣の子ども向けの「科学的とはどういうことか」という本にこの話題が載っていて興味深く読んでいたことを思い出しました。
その本でも「温度計の測り方」について言及しています。そこで板倉さんは仮説実験授業への導入をはかっています。つまり予想させて実験するということを、、、

この話、なかなかに面白い!!
亀さん、またエントリー挙げさせてくださいね♪

いつも楽しくてワクワクしながら拝見しています。
では、、、またね。
Posted by せとともこ at 2008年02月10日 15:49
ちょっと逃避(^^;;

「仮説実験」ていうのと関係あるかもしれないんですが、こんなことを考えました。

その1)
「教科書には『100度で水が沸騰する』って書いてあるね。じゃあ、それが本当か確かめてみよう」
ビーカー+棒温度計で実験
「100度にならないねえ、なぜだろう、なにが悪いのかな」
あーじゃないか、こうじゃないか、いろいろ考えてみる。

その2)
あれこれ考えたことプラス先生が追加した条件で、班によって道具立てを変えてみる。

たとえば
A班 蒸留水+よーく洗ったビーカー+棒温度計
B班 ビーカー+デジタル温度計
C班 フタなしフラスコ+棒温度計
D班 フタ付きフラスコ+棒温度計
先生 ナベに棒温度計をちゃっぽん

「さあ、どれがどうなるかな? それはなぜかな?」

4年生には無茶かしら(^^;;
Posted by 亀@渋研X at 2008年02月10日 17:19
おお、さっそくせとさんからトラックバックです。

沸点と温度計(瀬戸智子の枕草子 2008-02-10)
http://ts.way-nifty.com/makura/2008/02/post_e61d.html

「なーるほどー」な仮説授業のお話が読めます。わかってる人には「当然の出発点」だったんですねー。
「勉強になります」っていうより、とーってもおもしろいです(^^)
Posted by 亀@渋研X at 2008年02月10日 20:39
こんにちは、亀@渋研Xさん。

なんとなく、調子にのって、せとさんの所に「計量体系」なんて話を書いてしまいました。今でも「温度を正確に測る研究」というのはやられています。まあ、さすがに皆さんが使われる温度計については、標準になる温度計ができているので、熱電対とかの高温の温度を正確に測る研究ですけどね。
とりあえずご紹介です
http://www.nmij.jp/kenkyu/standardsfield/temp_physprop.html

なんていうか、計量の統一というのは世の中の秩序の大元なんですよね。温度計ひとつとっても、国や地域で「うちは水の沸騰する温度は100度だ」「うちは80度だ」なんて言っていたら世の中の秩序は保てないわけです(といってもまだ世界では統一されていないものはいっぱいありますけどね、冷凍機の能力を示す「冷凍トン」なんて「米国式(1USRt=3,024kcal/h=3,515W)ですか日本式(1JRt=3,320kcal/h=3,859W)ですか」と聞かないと間違えたりしますからね(笑))。

少なくとも日本ではどこか店で「300gのお肉」を買って別な店で天秤に載せて貰っても、そう違わない訳です(計量法や表示法で天秤の細工はけっこう厳しく罰せられますからね)。

私みたいな人間はニセ科学で商品を売っているのを見ると、「うちの天秤で量ると300グラムを指すのだから300グラムだ」と余所の店では200グラムしか示さないお肉を売っているのと、そう変わらない様に見える訳です。
Posted by 技術開発者 at 2008年02月12日 16:43
大学では、実験には観測誤差があることを教えます。これは小学生には教えるべきでないことです。棒温度計が不正確という話はこの点ですね。
あと、不純物が混ざっている場合には沸点は低くなりません。沸点上昇といって沸点は100℃よりも高くなります。これはシャーベットなど水に何かを溶かすと0℃では凍らない凝固点降下と深く関係します。
ではでは
Posted by 大学でせいせいしてます at 2008年08月02日 08:51
「大学でせいせいしてます」さん、こんにちは。

すいません、いただいたコメントで、いろいろわからない点があるのですが、よろしかったらご教示ください。
また、下記を読み返すと「というような」ばかり出て来るんですが、門外漢ゆえとご容赦ください。

大学(のなにかの講義か学科か学部)では、こういうことも学ぶのですね。言われてみれば当然ありそうなことですね。
でも、小学校のような実験方法ではなぜ水の沸点が100度にならないか、ということまではやらないのでしょうか。それとも、みんな忘れているのかな(^^;;

このエントリでは、コメント欄のみなさんのご指摘もあって、水の沸点がなかなか100度にならない理由が、推測を含めていろいろと出てきますが、確かに要は棒温度計の問題なのだということは理解しているつもりです。
が、こういうのは、棒温度計の使い方の問題と理解していました。こういうのを「棒温度計が不正確だから」と要約しちゃっていいんでしょうか。

また、「観測誤差」って、言葉から受ける印象としては「何度計っても、精度の問題である程度のバラツキが出る」というような感じなのですが、そういう理解でよいのですか? ちょっと調べてみたのですが、わかりませんでした。
また、このケースでは、なんだか誤差というよりは「棒温度計の構造上の特性」というような話かとも思うのですが、こんなときでも適用できるような用語なんでしょうか。

もうひとつ、「小学校では教えるべきではない」というのは、なぜなんでしょう。混乱させるからでしょうか。
この点ではふたつ疑問があります。

ひとつは、ここでの話の発端は、小学校の実験では水の沸点が100度にならないことが多い(というか、集まった話を総合すると、小学校でのやり方では100度になるわけがない)ということです。それで先生や保護者が説明に困ることもある。
そこで、それを考えるきっかけにしようというのがボクの記事での提案だったわけですが、(1)そのときに、棒温度計の特性のような話は除くほうがいい、ということになります。あるいは、(2)それを考えるきっかけにはしない方がいい。100度にはならないのだけれども、そこは実験してもスルーして「結果は結果として、水の沸点は100度と覚えよう」という話にする。さもなければ、(3)水の沸点に関する実験をしない、ということになります。
(1)や(2)には無理があるような気がします。とすると(3)がいい、というお話になる……のだと思うのですが、そういうご意見と理解してよいのでしょうか?

具体的にどうするかはともかく、教えない方がいいというご意見もあり得るとは思います。
いずれにしても、「なぜ」というところを教えていただければ幸いです。

もうひとつは、もしも、「温度計の目盛りを見るときには、目盛りと水平の位置で見ないと、ちゃんと読み取れないよ」などという話も「観測誤差」に入るのだとすると、現状では小学校で教えていることになります。これもまずいということですか? それとも、もっと限定的な話なのでしょうか?

すいません、無知なものでステレンキョウなことを訊いているのかもしれませんが、上記あれこれ、よろしかったら教えてください。

あと、不純物が混ざっている場合には、沸点が上がることはあっても下がることはない、というのは知りませんでした。って、記事を読めば丸わかりですね(^^;;
ご教示ありがとうございます。

wikipediaにも「沸点上昇」で記事があるんですね(溶液化学という分野があることも、wikipediaで初めて知りました)。これまで誰も指摘しなかったのは、きっと大目に見てもらっていたんですね。トホホ。
Posted by 亀@渋研X at 2008年08月02日 18:22
知らないの?習わなかったの?
摂氏は、氷点下を0℃とし、沸点を100℃として定めたんだよ。
だから調度100℃になるの。
まぁ気圧が0の時だから、その分低くなるけど。
華氏は36℃を0℃として…忘れたけどそう定めた。

Posted by 青海全気 at 2014年05月05日 02:09
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