物質は温度・圧力によって物質の状態が変化する。物質自体は同じであり、状態だけ変わるので物理変化である。化学変化とは違うので注意すること。

物質の三態

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どの物質にも、固体・液体・気体の3つの状態がある。これを 物質の三態(さんたい、three states) という。

一般に、物質の温度や圧力を変化させていくと、物質の状態が変わる。

物質の三態は、物質を構成する粒子の集合する状態によって決まり、粒子の熱運動の激しさと、分子に働く引力との関係によって決まっている。

三態変化

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状態変化の名称
固体から気体になる昇華の例としては、たとえばドライアイス(固体の二酸化炭素)があります。

・固体から液体になる変化を融解、液体から気体になる変化を蒸発(気化)と呼ぶ。気体から液体になる変化を凝縮(液化)、液体から固体になる変化を凝固と呼ぶ。固体から気体になる変化を昇華、気体から固体になる変化を凝華という。

状態が変わっても物質の名前は変わらない。ただし例外として水(H2O)がある。水は固体を特別に、液体を、気体を水蒸気と呼ぶ。また、液体窒素など慣用的に呼ばれるものもある。ただしどのような状態でも化学式は変わらない。

また、純物質において固体が液体になる温度は物質ごとに決まっており、その温度をその物質の融点と呼ぶ。同様に液体が気体になる温度をその物質の沸点と呼ぶ。大気圧での水の融点は0度、沸点は100度である。


状態図

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ふつうの純物質は、温度と圧力が決まると、その状態が決まる。 温度と圧力によって、その物質がどういう状態をとるかを表した図を状態図(phase diagram)という。

図に、水の状態図と、二酸化炭素の状態図を表す。

図の中央付近にある3本の曲線が交わったところは三重点(triple point)といい、気体・液体・固体の状態が共存する。

なお、図中にある 1.013×105Pa は、大気圧である。図より、大気圧で水の融点は0℃、沸点は100℃であることが分かり、たしかに実験事実とも一致してる。

また、物質の温度と圧力を高めていき、温度と圧力がそれぞれの臨界点(critical point)を超える高温・高圧になると、その物質は超臨界状態(supercritical state)という状態になり、粘性が気体とも液体ともいえず(検定教科書の出版社によって「気体のような粘性」「液体のような粘性」とか、教科書会社ごとに記述が異なる)、超臨界状態は、気体か液体かは区別できない。

二酸化炭素の超臨界状態ではカフェインをよく溶かすため、コーヒー豆のカフェインの抽出に利用されている。

※ 範囲外?: 絶対零度

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物質はどんなに冷却しても、-273.15℃(0K)までしか冷却しない。この温度のことを絶対零度(ぜったい れいど)という。(※ 詳しくは『高等学校物理/物理I/熱』で習う。)