物質の状態

あなたの周りにあるものはすべて微小な 粒子 でできており、これらは 原子、分子、または イオン であることがある。動説的粒子説 によれば、これらの粒子は常に運動している。粒子間の距離、配置、および運動の様子が、物質が 固体、液体、あるいは 気体 であるかを決定する。

観察可能な性質

顕微鏡なしで三の状態を見分けることは可能である。それらは異なる振る舞いをする：

• 固体は固定された形状と固定された 体積 を持つ。流れず、圧縮（小さく押しつぶすこと）することはできない。
• 液体は固定された体積を持つが、固定された形状を持たない。流れ、容器の形を取る。圧縮することはほぼ不可能である。
• 気体は固定された形状も固定された体積も持たない。流れ、広がり、容器全体を満たす。気体は容易に圧縮できる。

以下の表はこれらの性質を要約したものである。密度とは、与えられた体積内に詰まっている 質量 の量を意味する。

粒子の描像

動説的粒子説は、三つの要素からこれらの性質を説明する：粒子間の 分離（離れている距離）、配置（パターン）、および 運動（動き方）。

強い引力が粒子同士を引き付け结合在一起している。固体ではこれらの力が強く、すべての粒子を固定した位置に保つため、固体は形状を維持する。液体では力が弱いため、粒子は移動できる。気体粒子は互いに離れており、ランダムに運動しており、この単純なモデルでは引力の影響はほとんどないため、気体は容器全体に広がる。

物質を加熱したり冷却したりすると、一つの状態から別の状態へ変化する。各変化の名前を知る必要がある。

一定圧力下では、純粋な固体は一定の温度で溶け始め、これが融点である。一定圧力下では、純粋な液体は一定の温度で沸騰し、これが沸点である。同じ物質は融点で凍結し、沸点で凝縮する。

いくつかの物質は、まず融解することなく、固体から直接気体へ変化する。これを 昇華 と呼ぶ。下の写真では、温められたビーカー内の固体ヨウ素が紫色の気体へと直接変わり、その気体は上部にある氷入りの円底フラスコで冷却され、再び固体に戻る。

粒子説による状態変化の説明

各状態変化は実質的に粒子の エネルギー の変化である。

• 固体を加熱すると、粒子はエネルギーを得て 振動 が速くなる。融点では粒子に固定位置から外れて滑り回るのに十分なエネルギーがあり、固体は融解する。
• 液体を加熱すると、粒子は速く動く。沸点では引力から完全に抜け出して気体になるのに十分なエネルギーがある。
• 冷却はその逆である。粒子はエネルギーを失い、よりゆっくり動き、引力が再び引き寄せられる。

一定圧力下での純粋な物質の溶解または沸騰中、加えたエネルギーは粒子間の引力に打ち勝つために使われ、平均運動エネルギーを増加させるわけではない。変化中は温度は一定に保たれる。これは分子内の結合が切断されたことを意味しない：氷が溶けて水になるのは、水素と酸素に分かれることではない。

加熱曲線と冷却曲線

加熱曲線 は、物質を一定に加熱した際の時間に対する温度の変化を示すグラフである。冷却曲線 は、物質が冷却される際同样的グラフである。

一定圧力下で固体から液体を経て気体へと加熱される純粋な物質について、理想的な加熱曲線には2つの平坦な部分がある：

• 最初の平坦な部分は融点にある。ここでは固体と液体の両方が存在する。加えられたエネルギーが粒子を固定位置に保持する力を打ち破るため、温度は上昇しない。
• 2番目の水平部分は沸点にあります。ここでは液体と気体が共存しており、温度も再び一定に保たれます。

冷却曲線はその逆である。沸点で平坦な部分（気体が凝縮）があり、融点で平坦な部分（液体が凝固）がある。単一状態の下降部では平均運動エネルギーが減少する。凝固および凝縮の平坦部では、温度は一定に保たれながら熱エネルギーが周囲へ伝達される。

** worked example curves：** 0620/22 November 2025 Q2において、Q–Rは溶解：粒子が固定位置から離れて可動となる（選択肢B）。P–Qは固体の加熱、S–Tは沸騰である。0620/22 March 2025 Q2において、W–Xは液体の冷却：粒子は近接しておりランダムに配置されている（選択肢C）。V–Wは凝縮、X–Yは凝固である。冷却は平坦部を含む場合でもエネルギーを外部へ放出するため、平坦な区間であってもエネルギー伝達が停止しているわけではない。

溶解とは異なる溶解： 氷が液体の水になるのは溶解である。水に溶解性固体を加えると、溶解によって水溶液となり、これは0620/42 November 2025 Q1(b)における第3の物理変化である。溶解には固体を加熱する必要はない。気体が液体になるのは凝縮である。

気体は容器の壁を押しています。この押し力が壁の面積に分散されたものが気体の圧力です。圧力は気体粒子が壁に衝突することによって生じます。

温度の影響

一定質量の気体を加熱して圧力を一定に保った場合、その体積は増加します。

粒子説を用いて説明すると、加熱により粒子に運動エネルギーが与えられ、速く動きます。これにより壁への衝突が強くなり、頻度も増えます。圧力を一定に保つため、気体はより広い空間を占める必要があり、結果として体積が大きくなります。

逆に体積が一定（密閉された剛体容器）の場合、気体を加熱すると、速く動く粒子が壁に強く、かつ頻繁に衝突するため、圧力が上昇します。

圧力の影響

一定質量の気体に圧力を加えて温度を一定に保った場合、体積は減少します。気体をより狭い空間に圧縮すると、粒子は壁に衝突する頻度が増し、これが高い圧力であることを意味します。

拡散とは、粒子が密集している領域から分散している領域へと、すなわち高い濃度から低い濃度へと物質が移動する現象である。これは常にランダムな運動をしている粒子によって生じる。

拡散は、部屋のもっと側にある料理の匂いが鼻に届く理由を説明します。匂いの粒子が移動して空気と混ざり合い、鼻に到達します。拡散は気体や液体では起こりますが、固体では起こりません。なぜなら、固体の粒子は場所を変えて移動できないからです。

拡散速度と分子量

同じ温度であれば、軽い気体粒子の方が重いものよりも速く動きます。したがって、相対分子量（分子あたりの質量が小さいもの）が小さい気体ほど、拡散速度は速くなります。

有名な実験でこれを示せます。長管の片端にアンモニア（$\text{NH}_3$）を含ませた綿を置き、もう片端に塩化水素（$\text{HCl}$）を含ませた綿を置きます。両方の気体が管内を拡散して出会うと、塩化アンモニウム（$\text{NH}_4\text{Cl}$）の白い輪が形成されます。

アンモニアには$M_r = 17$、塩化水素には$M_r = 36.5$があります。アンモニアは軽いため拡散が速く、管内をより遠くまで進みます。そのため、白い輪は塩化水素側の近くに形成されます。

** worked example.** 窒素 N₂ ($M_r = 28$) と二酸化炭素 CO₂ ($M_r = 44$) が同等の条件下で同じ温度で拡散する場合、どちらが速く拡散するか？窒素の相対分子量は小さいため、その分子の平均速度は速く、拡散も速い。化学式の長さや原子の数ではなく、分子量を比較する。アンモニア/塩化水素リング実験は別例であり、拡散の後に化学反応が起こることを前提として、任意の2つのガスが同様のリングを作るものではないと仮定しないこと。

反応は単なる沈殿ではない: アンモニアと塩化水素は新しい物質である固体の塩化アンモニウムを形成する: $\text{NH}_3(g) + \text{HCl}(g) \rightarrow \text{NH}_4\text{Cl}(s)$。これは化学反応である。気体が固体になるのは、物質が同じ場合のみ物理変化であり、例えばヨウ素蒸気が固体ヨウ素になるような場合である。アンモニアとブロミンからは塩素原子が提供されず、塩化アンモニウムを形成することはできない。

• 融解および沸騰中、温度は一定に保たれる（加熱曲線の平坦部分）。これはエネルギーが粒子間の引力に打ち勝つためであり、平均運動エネルギーを増加させるものではない。純物質については、固定圧力下で比較すること。
• 蒸発は表面のみで、あらゆる温度で起こります；一方、沸騰は固定された温度において液体全体で起こります。
• 粒子説を用いて気体の挙動を説明します。一定体積で気体を加熱すると、粒子は壁に強く、かつ頻繁に衝突するため圧力が上昇しますが、粒子自体の大きさは変わりません。
• 気体中の拡散は、同じ温度で軽い粒子（小さい$M_r$）ほど速い。固体粒子モデルでは、粒子は固定された位置を中心に振動するだけで、固体内を移動しない。アンモニア/塩化水素の管実験では、 lighterなアンモニアの方が長く進むため、白色リングはHCl側に近い位置で形成される。