【化学】物質の状態変化とエネルギー

物質の三態とは？

物質は、固体、液体、気体のいずれかの状態をとることができます。これを物質の三態と呼びます（気体の中でイオン化したものをプラズマと呼びます）。

物質の状態変化は化学変化ではないため、温度・圧力などを元に戻すと、物質の状態は元通りになります。

物質の状態変化はどうして起こるの？

物質間に働く引力は、温度を大きくしても変化しません。しかし、物質自体の熱運動は温度が上がられば上がるほど激しくなるため、物質の状態変化が起こります。

ちなみに、熱運動は絶対零度になるまで停止することはなく、固体の状態であっても絶えず振動・回転が行われています。しかし、その粒子の位置は変わらないため、形は変化しません。

結晶・非晶質（アモルファス）の違い

多くの固体では、粒子が規則正しく並んだ結晶を形成します。しかし、粒子が不規則にならんだ固体を非晶質（アモルファス）または無定形固体と呼びます。アモルファスは一定の融点を持たず、ガラス、ゴム、プラスチックなどが例として挙げられます。

また、高分子の物体では、急激に冷却するとアモルファスを形成し、ゆっくり冷却すると結晶を形成します。金属でも同様の現象が見られます。

固体は液体になると体積が増加する

水を除いて、殆ど物質は固体から液体になると体積が10%ほど増加します。これは、液体になると粒子が運動するため、空いた空間ができ、その空いた空間に他の粒子が入り込む…というような運動を繰り返しています。そのため、瞬間的には空いた空間ができ、体積が大きくなります。

粒子間の引力に打ち勝つと気体になる

液体を加熱していくと、熱運動が激しくなり、粒子間の引力にとらわれなくなり、空間に飛び出します。液体から気体になると、体積は1000倍近くになります。粒子間に働くファンデルワールス力は0になります。

状態変化とエネルギー

エネルギーの状態は気体＞液体＞固体の順に高いです。それぞれの状態を変化を次のように呼びます。

固体→液体：融解
液体→固体：凝固
液体→気体：蒸発
気体→液体：凝縮
固体⇔気体：昇華

なぜ物質を融解している間は温度が上昇しないの？

氷が水になる温度を融点と呼びます。氷と水が共存している間は外部から温度を加えても一定です。これは、外部から加えられた熱エネルギーが、分子間の平均距離を大きくする位置エネルギーの増加のために使われるからです。状態変化が起こっている最中は、温度は変化しない、これは状態変化のセオリーです。

融点と凝固点

ある物質を冷却すると、凝固が始まります。この温度を凝固点と呼びます。純粋の物質の場合、融点＝凝固点です。

融解熱と凝固熱

固体の物質1molが完全に液体になるまでに必要なエネルギーを融解熱と呼び、液体1molが完全に凝固するのに放出される熱エネルギーを凝固熱と呼びます。融解熱＝凝固熱です。

凝縮と凝縮熱

気体1molが凝縮して液体になるときには、熱エネルギーが放出されます。これを凝縮熱と呼び、蒸発熱と等しい値です。

昇華と昇華熱

固体1molが気体になるときに必要な熱エネルギーを昇華熱と呼びます。昇華熱は次の式で求められます。

昇華熱 = 融解熱 + 蒸発熱

なぜ蒸発するの？

例えば、水が沸騰していなくとも蒸発していく現象はよく目にします。これは、液体の中に存在する分子の中には、非常に運動エネルギーが高い粒子も存在し、お互いの引力に打ち勝って空間へ飛び出していくためです。マクスウェル・ボルツマンの分布図では、どの温度の物質にも速度0m/sの粒子から、高い速度を持つ粒子が存在し、その平均によって「温度」が定められます。