今回の記事では物質の状態変化に関する解説をしていきます！
分かりやすく解説するので、ぜひ最後までご覧ください！
状態変化とは
物質の三態
物質は固体、液体、気体の状態が存在し、これら３つを物質の三態と呼びます。
水を例に挙げると、氷が固体、水が液体、水蒸気が気体です。
状態変化
物質の三態は、温度により変化します。これを状態変化と呼びます。
一般的に、温度が上がるにつれて固体→液体→気体へと変化します。
この際のそれぞれの状態変化にも名称があり、固体→液体は融解、液体→気体は蒸発、固体→気体は昇華と呼びます。
また、液体→固体を凝固、気体→液体を凝縮、気体→固体を昇華と呼びます。
固体→気体の状態変化はイメージが付きにくいかもしれません。
冷凍保存に使用するドライアイスを想像してみてください。ドライアイスは通常の大気圧では、液体を経ずに固体の二酸化炭素から気体へ変わります。ただし、気体の二酸化炭素自体は無色です。周囲が冷やされて見える白い霧は、主に細かい水滴であり、二酸化炭素の気体そのものではありません。
熱運動
それでは、なぜ温度の上昇に伴い状態変化が起こるのでしょうか。それは熱運動という現象が原因です。
物質は固体、液体、気体のいずれの状態においても目に見えないほど小さな粒子から構成されています。粒子は固体の中でも熱運動しています。加熱して温度が上がると、その運動は一般に活発になります。温度が高いほど、熱運動が活発になり、粒子は激しく動きます。
これをもとに、固体、液体、気体それぞれの粒子の状態を解説します。
・固体：粒子は近接し、おおむね定まった位置の周りで振動しています。
・液体：粒子は近接しながら互いに位置を変え、流動性があります。
・気体：さらに温度が上がることで、熱運動が激しくなり粒子同士が離れた状態で存在します。水蒸気や二酸化炭素の気体は無色で、その気体自体は目に見えません。
状態変化と熱
上記の解説から、物質は温度上昇に伴い固体→液体→気体へと変化することが分かりました！
それでは、状態変化の際にどのように温度が変化するのかを詳しく見ていきましょう！
物質の状態変化
純物質を圧力一定でほぼ平衡のまま加熱すると、二つの相が共存して状態変化が進む間は温度が一定になります。
それぞれの状態変化を起こす温度を次の様に呼びます。
・固体→液体 融点
・液体→気体 沸点
・固体→気体 昇華点
・液体→固体 凝固点
・気体→液体 凝縮点
・気体→固体 昇華点
上記のように、ある一定の温度で状態変化が起こると解説しましたが、ある一定の温度になると一瞬で状態変化を起こすわけではありません。初めは一部が状態変化をしていき、さらに加熱（or冷却）をすることで全体が状態変化します。
水の状態変化と熱
今回は約1 atmの純粋な水を例に、融点を0 ℃、沸点を100 ℃と丸めて詳しく解説します。
先程も申し上げましたが、水の状態変化は氷→水→水蒸気であります。
氷の状態から加熱し、氷→水→水蒸気と状態変化する際の温度を以下に図示します。
氷を加熱すると0℃までは温度が上昇していきます。
0℃に差し掛かると氷→水の状態変化が生じ、加熱をしているにもかかわらず温度が一定です。
これは、状態変化の際に熱エネルギーが必要であるためです。
氷がすべて水に状態変化した後は再び温度が上昇します。
100℃に差し掛かると水→水蒸気の状態変化が生じ、加熱をしても温度が一定になります。
これは、先程同様に状態変化に熱エネルギーが使用されているためです。
水がすべて水蒸気に状態変化した後は再び温度が上昇します。
以上の様に、融点や沸点などの状態変化が起こる温度では、すべてが状態変化するまで温度は一定のままになります。
温度が同じでも、氷の割合は変わる
加熱曲線の水平な部分を、氷の量と結び付けて見てみましょう。約1 atm、ほぼ平衡の融解として、0 ℃の純粋な氷10.0 gから始めます。水の出入り・蒸発・周囲への熱損失はなく、受け取った熱がこの試料の融解に使われるとします。融解潜熱は334 J/gと与えます。
ペンタ温度計が0 ℃のままなら、氷に熱が入っていないの？
イコールペンタさん、氷と水が共存して融けている間は、受け取った熱で液体の割合が増えます。温度の上昇に使う熱とは分けて考えます。5.0 gを融かすには、5.0 g × 334 J/g＝1670 Jが必要です。
ペンタ氷が全部なくなった後も、加熱すればずっと0 ℃なの？
イコール全部融けた後は、この融解の区間を終えています。さらに熱を受け取ると液体の水の温度が上がります。水平な部分が続くのは、同じ圧力で氷と水が共存し、融解が進んでいる間です。
融解に必要な熱はq＝融かす質量 × 融解潜熱です。比熱で温度差を掛ける式へ0 ℃の差を入れてq＝0とすることはできません。また、0 ℃の氷と水の分子が静止しているわけでもありません。相が変わると、分子同士の配置や相互作用に関わるエネルギーも変わります。
まとめ
今回の記事では物質の状態変化に関する解説を行いました！
まとめると
・物質は固体、液体、気体の状態が存在し、これら３つを物質の三態と呼ぶ。
・熱運動という現象により、温度上昇に伴って状態変化を起こす。
・物質はある一定の温度で状態変化を起こす。
・融点や沸点などの状態変化が起こる温度では、すべてが状態変化するまで温度は一定のままである。
いかがでしたか？最後までご覧いただきありがとうございました！
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