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States of matter · ⁨物質の状態⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level 化学⁩ · Topic 4 · ⁨トピック 4⁩

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7:31

物質の状態

ダイヤモンドの融点は3550℃である。ヨウ素の融点は114℃である。両者は非金属原子のみで構成されており、…

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4.1

The gaseous state · ⁨気体状態⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. explain the origin of pressure in a gas in terms of collisions between gas molecules and the wall of the container
  2. understand that ideal gases have zero particle volume and no intermolecular forces of attraction
  3. state and use the ideal gas equation $pV = nRT$ in calculations, including in the determination of $M_r$
日本語
  1. 気体分子と容器壁の衝突によって生じる圧力の起源を説明する
  2. 理想気体が粒子体積ゼロであり、分子間引力がないことを理解する
  3. 理想気体方程式 $pV = nRT$ を用いて計算を行い、$M_r$ の決定を含む: 式を述べて適用する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Where gas pressure comes from

Gas molecules move fast in all directions. They keep hitting — colliding 碰撞 with — the walls of their container. Each hit gives the wall a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the overall result of these many collisions on the walls.

Ideal gases

An ideal gas 理想气体 is a simple model. We assume two things:

  • the particles themselves take up zero volume.
  • there are no intermolecular forces 分子间作用力 of attraction between the particles.

A real gas 实际气体 follows this model closely at low pressure and high temperature. It behaves least like an ideal gas at high pressure and low temperature, when the particles are squeezed close together and the forces between them start to matter.

The ideal gas equation

The ideal gas equation 理想气体方程 links pressure, volume, amount and temperature:

$$pV = nRT$$

where $p$ is the pressure in Pa, $V$ is the volume in $\text{m}^3$, $n$ is the amount in moles, $T$ is the temperature in kelvin 开尔文 (K), and $R$ is the gas constant 气体常量 ($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$).

Always change the units first: °C to K (add 273), and $\text{cm}^3$ or $\text{dm}^3$ to $\text{m}^3$.

Worked example. Find the volume of $0.50\ \text{mol}$ of an ideal gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and $100\ \text{kPa}$. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convert first: $T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Then

$$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

You can also use the equation to find a molar mass 摩尔质量. Since $n = m/M$:

$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

This lets you work out $M_r$ from the mass (or the density) of a gas.

Worked example. A flask holds $0.96\ \text{g}$ of a gas in $600\ \text{cm}^3$ at $100\ \text{kPa}$ and $27\ ^{\circ}\text{C}$. Find the molar mass of the gas. ($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$.)

Convert: $V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$. Then

$$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$
日本語
沸騰する水から立ち上る蒸気
沸騰は液体水を蒸気に変える — 物質の状態変化である。

気体圧力の発生原因

気体分子はあらゆる方向に高速で運動しています。容器の壁に繰り返し衝突 — 衝突 — を繰り返します。各衝突が壁に微小な押す力を加えます。気体の圧力とは、壁に対するこれらの多数の衝突による全体的な結果です。

箱の中の高速粒子:各粒子に速度ベクトルがあり、一部が壁に衝突して衝撃星印が付いている
気体圧力:高速分子はあらゆる方向に動き、壁に衝突する;多数の微小な押し合わせが加算されて圧力となる

理想気体

理想気体は単純なモデルです。次の2点を仮定します:

  • 粒子自体の体積はゼロである。
  • 粒子の間に分子間引力はない。

実在気体は低圧・高温の条件でこのモデルにほぼ従います。高圧・低温では粒子が密に詰まり、粒子間の力が無視できなくなるため、理想気体としての振る舞いは最も少なくなります。

2つの箱:左は速度ベクトルと相互作用のない微小な点状粒子の理想気体、右は高圧・低温の実在気体で、大きな詰まった粒子が破線の引力線 연결されている
理想気体はモデル:粒子間に力が存在しない点状粒子。実在気体は高圧・低温でこのモデルからの逸脱が最も大きく、粒子の詰まりや実際のサイズ、引力が無視できなくなる

理想気体方程式

理想気体方程式は、圧力、体積、物質量、温度を結びつけます:

$$pV = nRT$$

ここで $p$ は圧力(Pa)、 $V$ は体積($\text{m}^3$ )、 $n$ は物質量(mol)、 $T$ は温度(ケルビン(K))、 $R$ は気体定数($8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$ )である。

必ず最初に単位を変換する:°C を K に変換するには 273 を加算し、 $\text{cm}^3$ または $\text{dm}^3$ を $\text{m}^3$ に変換する。

** worked example **。$0.50\ \text{mol}$ の理想気体の体積を、$27\ ^{\circ}\text{C}$ と $100\ \text{kPa}$ の条件下で求めよ。($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$。)

まず変換する:$T = 300\ \text{K}$, $p = 1.00 \times 10^{5}\ \text{Pa}$。次に

$$V = \frac{nRT}{p} = \frac{0.50 \times 8.31 \times 300}{1.00 \times 10^{5}} = 0.0125\ \text{m}^3\ (= 12.5\ \text{dm}^3).$$

この式を用いてモル質量を求めることもできます。$n = m/M$ が成り立つため:

$$pV = \frac{m}{M}RT \qquad\Rightarrow\qquad M = \frac{mRT}{pV}$$

これにより、気体の質量(または密度)から$M_r$ を求めることができます。

** worked example **。フラスコに$0.96\ \text{g}$ の気体が$600\ \text{cm}^3$ 、$100\ \text{kPa}$ 、$27\ ^{\circ}\text{C}$ で入っています。この気体のモル質量を求めよ。($R = 8.31\ \text{J K}^{-1}\,\text{mol}^{-1}$。)

変換する:$V = 6.00 \times 10^{-4}\ \text{m}^3$, $T = 300\ \text{K}$。次に

$$M = \frac{mRT}{pV} = \frac{0.96 \times 8.31 \times 300}{(1.00 \times 10^{5})(6.00 \times 10^{-4})} \approx 40\ \text{g mol}^{-1}.$$
Explore · ⁨探索⁩

The gaseous state · ⁨気体状態⁩

p = k / V

Boyle's law: at constant temperature pressure ∝ 1/volume. · ⁨ボーイの法則:一定温度では圧力∝1/体積。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
collide/kəˈlaɪd/ 衝突
pressure/ˈpreʃə/ 圧力
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 理想ガス
intermolecular forces/ˌɪntəməˈlekjʊlə ˈfɔːsɪz/ 分子間力
real gas/rɪəl ɡæs/ 実在ガス
ideal gas equation/aɪˈdɪəl ɡæs ɪˈkweɪʒn/ 理想気体方程式
kelvin/ˈkelvɪn/ ケルビン
gas constant/ɡæs ˈkɒnstənt/ 気体定数
molar mass/ˈməʊlə mæs/ モル質量
crystalline solid/ˈkrɪstəlaɪn ˈsɒlɪd/ 結晶固体
giant ionic/ˈdʒaɪənt aɪˈɒnɪk/ 巨大イオン
lattice/ˈlætɪs/ 格子
ion/ˈaɪɒn/ イオン
simple molecular/ˈsɪmpl məˈlekjʊlə/ 简单分子
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子
fullerene/ˈfʊləren/ フルレレン
giant molecular/ˈdʒaɪənt məˈlekjʊlə/ 巨大分子
covalent bonds/ˈkəʊvələnt bɒndz/ 共有結合
silicon(IV) oxide/ˈsɪlɪkən ˈɒksaɪd/ 四酸化ケイ素
4.2

Bonding and structure · ⁨結合と構造⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
  1. describe, in simple terms, the lattice structure of a crystalline solid which is: (a) giant ionic, including sodium chloride and magnesium oxide (b) simple molecular, including iodine, buckminsterfullerene $\text{C}_{60}$ and ice (c) giant molecular, including silicon(IV) oxide, graphite and diamond (d) giant metallic, including copper
  2. describe, interpret and predict the effect of different types of structure and bonding on the physical properties of substances, including melting point, boiling point, electrical conductivity and solubility
  3. deduce the type of structure and bonding present in a substance from given information
日本語
  1. 以下の結晶性固体の格子構造を簡潔に説明する: (a) 巨大イオン性: 塩化ナトリウムおよび酸化マグネシウムを含む、(b) 単一分子性: ヨウ素、バッキンガーフルレレン $\text{C}_{60}$ および氷を含む、(c) 巨大分子性: 四酸化ケイ素、グラファイトおよびダイヤモンドを含む、(d) 巨大金属性: 銅を含む
  2. 異なる種類の構造および結合が物質の物理的性質に与える影響を説明、解釈、予測する。これには融点、沸点、電気伝導度および溶解度が含まれる
  3. 与えられた情報から、物質に含まれる構造および結合の種類を導き出す

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

How a substance behaves depends on how its particles are joined. There are four main structures of a crystalline solid 晶体.

Giant ionic

A giant ionic 离子晶体 structure is a huge regular lattice 晶格 of positive and negative ions 离子, held together by strong attraction in every direction. Examples are sodium chloride and magnesium oxide.

Simple molecular

A simple molecular 分子晶体 structure is made of small molecules 分子. The bonds inside each molecule are strong, but the intermolecular forces between the molecules are weak. Examples are iodine ($\text{I}_2$), fullerene 富勒烯 ($\text{C}_{60}$) and ice.

Giant molecular

A giant molecular 原子晶体 structure (also called giant covalent) is a huge network of atoms joined by strong covalent bonds 共价键. Examples are silicon(IV) oxide 二氧化硅, graphite 石墨 and diamond 金刚石.

Giant metallic

A giant metallic 金属晶体 structure is a lattice of positive metal ions in a "sea" of delocalised electrons 离域电子. An example is copper.

Physical properties

The structure decides the physical properties:

Structure Melting/boiling point Conducts electricity? Solubility in water
giant ionic high only when molten or dissolved usually soluble
simple molecular low no usually low
giant molecular very high no (except graphite) insoluble
giant metallic high yes (solid and molten) insoluble
  • melting point 熔点 and boiling point 沸点 are high when strong forces (ionic, covalent or metallic) must be broken, and low when only weak intermolecular forces break.
  • electrical conductivity 导电性 needs charged particles that can move — ions that are free (when molten or dissolved) or delocalised electrons. Graphite conducts because some of its electrons are delocalised.
  • solubility 溶解度 in water is usually high for ionic solids and low for molecular and giant covalent solids.

You can work backwards too: from the melting point, conductivity and solubility of an unknown substance, deduce the type of structure and bonding it has.

日本語
石英結晶のクラスター
石英は珪素と酸素からなる巨大共有結合構造です。

物質の性質は粒子がどのように結びついているかによって決まります。結晶性固体には4つの主要な構造があります。

4つのパネル:正負イオンが交互に並ぶ巨大イオン格子、分離した小さな分子、結合した共有ネットワーク、電子海内の金属イオン
結晶性固体の4つの構造 — 構造が融点、電気伝導性、溶解性を決定します

巨大イオン

巨大イオン構造とは、正イオンと負イオンの大きな規則正しい格子であり、あらゆる方向からの強い引力によって保持されています。例として、塩化ナトリウムや酸化マグネシウムがあります。

単純分子

単純分子構造は小さな分子から構成されます。各分子内の結合は強いため、分子間の力は弱いです。例として、ヨウ素 ($\text{I}_2$ )、フルレネ ($\text{C}_{60}$ )、氷があります。

巨大分子

巨大分子構造(巨大共有結合とも呼ばれる)は、強い共有結合で結びついた原子の巨大なネットワークです。例として、四酸化ケイ素、グラファイト、ダイヤモンドがあります。

左側は各炭素が他の4つの炭素に結合したダイヤモンドノード、右側は弱い力で保持された六角形の層が積まれたグラファイト
炭素の2つの巨大共有結合形態:ダイヤモンドは剛直な3Dネットワーク(非常に硬い)、グラファイトは滑りやすい層と伝導性の自由電子を持つ
不規則な八面体のダイヤモンド結晶
岩石中の天然ダイヤモンド。その結晶全体が一つの巨大分子であり、各炭素が他の4つの炭素に結合した単一の途切れないネットワークです。これを壊すには無数の強い共有結合を切断する必要がありますが、そのためダイヤモンドは最も硬度の高い天然物質です

巨大金属

巨大金属構造とは、「離域電子の海」内の正の金属イオンの格子です。例として銅があります。

輝く赤茶色の金属光沢と小さな緑色の変質斑点を持つ丸みを帯びた銅の塊
純粋な銅の金属片。光沢、金属特有の伝導性と可塑性はすべて、離域電子の海に座る巨大な銅イオンの格子によるものです

物理的性質

構造が物理的性質を決定します:

構造 融点・沸点 電気伝導性あり? 水への溶解性
巨大イオン 高い 溶融時または水溶液のみ 通常可溶
単純分子 低い なし 通常低い
巨大分子 非常に高い なし(グラファイトを除く) 不溶
巨大金属 高い はい(固形および溶融時) 不溶
  • 融点と沸点は、強い力(イオン性、共有結合、金属間結合)を切断する必要がある場合が高く、弱い分子間力のみが切断される場合は低いです。
  • 電気伝導性には、移動可能な荷電粒子が必要です。これは、自由なイオン(溶融時または水溶液中)または離域電子です。グラファイトは一部の電子が離域しているため伝導します。
  • 水に対する溶解性は、一般的にイオン性固体では高く、分子性および巨大共有結合固体では低いです。

逆にも計算できます:未知物質の融点、伝導性、溶解性から、その構造および結合の種類を推論できます。

Explore · ⁨探索⁩

Giant structure lab · ⁨巨大構造実験⁩

Compare giant structures by particles and bonding. · ⁨粒子と結合に基づき巨大構造を比較せよ。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
graphite/ˈɡræfaɪt/ グラファイト
diamond/ˈdaɪəmənd/ ダイヤモンド
giant metallic/ˈdʒaɪənt məˈtælɪk/ 巨大金属
delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ 非局在電子
melting point/ˈmeltɪŋ pɔɪnt/ 融点
boiling point/ˈbɔɪlɪŋ pɔɪnt/ 沸点
electrical conductivity/ɪˈlektrɪkl kɒndəkˈtɪvɪti/ 電気伝導性
solubility/ˌsɒljuːˈbɪlɪti/ 溶解度
4.2

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Use SI units in $pV = nRT$: pressure in Pa, volume in $\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$), temperature in K ($^\circ\text{C} + 273$).
  • State the ideal-gas assumptions (negligible molecular volume, no intermolecular forces) and when real gases deviate (high pressure, low temperature).
  • Link each property to structure: giant ionic (high m.p., conducts molten), giant covalent (very high m.p.), simple molecular (low m.p.), giant metallic (conducts, malleable).
  • Graphite conducts because each carbon has a delocalised electron; diamond does not — a favourite comparison.
日本語
  • $pV = nRT$ ではSI単位を使用する:圧力はPa、体積は$\text{m}^3$ ($\text{cm}^3 \times 10^{-6}$ )、温度はK ($^\circ\text{C} + 273$ )。
  • 理想気体の仮定(分子体積の無視、分子間力の欠如)と、実在ガスが逸脱する条件(高圧、低温)を述べる。
  • 各性質を構造に結びつける:巨大イオン(高い融点、溶融時の伝導)、巨大共有結合(非常に高い融点)、単純分子(低い融点)、巨大金属(伝導性、延性)。
  • グラファイトは各炭素が離域電子を持つため伝導しますが、ダイヤモンドは持たない — 比較対象としてよく出題されます。

Interactive lessons on this topic · ⁨このトピックのインタラクティブ授業⁩

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