２　物質の三態と状態変化ｋ

【状態変化】

物質は〔　温度　〕，〔　圧力　〕によって〔　固体　〕，〔　液体　〕，〔　気体　〕と状態を変化させる。この物質がとりうる3つの状態を物質の三態という。

【物質を構成する粒子と物質の状態】

　物質は〔　原子　〕，〔　分子　〕，〔　イオン　〕といった粒子が多数集まってできている。粒子と粒子の間には，引力が生じており，互いに引き合っている（特に分子間にはたらく引力を分子間力といった）。また，粒子は温度に応じた熱運動をしており，高温ほど活発に運動する。固体，液体，気体は温度による粒子の状態の違いで説明できる。

固体　その物質にとって低温の状態。熱運動が非常に弱く，粒子間の引力の影響が大きく粒子は，位置を変えずにその場で〔　振　動　〕している。固体は体積と形が一定である。

液体　やや温度が上がった状態。粒子間の引力もはたらくが，熱運動も行う。粒子は，一定の〔　体積　〕中を自由に動いている。液体の体積は一定であるが，形は入っている容器の形になる。一般的に同じ物質であれば，粒子が動くので固体よりも体積が大きくなる。

気体　その物質にとって高温の状態。粒子の熱運動がとても大きく，粒子間の引力を振り切る。粒子は，自由に広い空間を飛び回っている。気体の体積は入っている容器の容積になる。

例題　常温，常圧で昇華がおこる物質にはどんなものがあるか。

　ドライアイス（CO₂の固体），ヨウ素，ナフタレン

例題　酸素O₂，水H₂O，鉄Feの粒子の中で，粒子間の引力の強さを強い順に並べよ。また，そのように考えた理由も述べよ。

　温度が同じなので，それぞれの物質の粒子の熱運動はほぼ同じと考えらる。酸素は気体，水は液体，鉄は固体なので，結合力は鉄，水，酸素の順になる。

例題　日常生活の現象から，水が他の物質とは異なる点がある。それはどのような点か述べよ。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ヒント：氷水を考えてみよう）

　同じ物質であれば，固体と液体で質量は変わらない。また，同じ物質であれば，固体よりも液体の方が通常，体積が大きくなるので，密度は固体の方が大きくなり，固体は液に入れると沈む。しかし，氷は水に浮く。

【状態変化と温度】

　固体の状態の物質を一定の割合で加熱すると，物質の温度は次のような変化をする。

　A→B，C→D，E→Fの間では，加えた熱は物質の温度を上昇させるために使われるが，B→Cの間では，加えた熱は粒子間の引力を〔　緩め　〕て〔　融解　〕を起こすのに使われ，D→Eの間では，粒子間の引力を〔　振り切って　〕て〔　沸騰　〕を起こすのに使われる。そのため，B→C，D→Eの間では温度上昇がみられない。また，このときの温度がそれぞれこの物質の〔　融点　〕，〔　沸点　〕である。沸点や融点は，その物質によって決まっている（固有の）値である。（例：水は沸点100℃，融点0℃）

例題

ある物質を一定の割合で加熱していくとき，加熱時間と物質の温度との関係が右図に示されている。

(5)　上の図のD点の粒子とE点の粒子では，粒子間距離が長いのはどちらか，理由とともに答えよ。 

(6）この割合で加熱していったとき，固体の温度を1℃上昇させる時間はいくらか。a～d,t₁～t₃の記号を用いて答えよ。

(1)　沸点t₃〔℃〕　融点t₂〔℃〕

(2)　①B～C　②A～B　③D～E　④C～D

(3)　加えた熱が状態変化に使われたから。

(4)　液体から気体にする方が，粒子をより激しく運動させる必要があるから。

(5)　Dは液体，Eは気体であり，気体の方が粒子の運動が大きく，より動くので，Eの方粒子どうしが離れる。よってEの方が粒子間の距離が長い。

(6)　固体なのでA～Bで考える。

　　0～a分の間にt₁からt₂へ温度が上がっている。つまり，a分でt₂－t₁℃上昇。

　　1℃上昇させるには，a／(t₂－t₁)分

【蒸留】

　　図のように液体を加熱して気体にし，その気体（蒸気）を冷やし再び液体として集める操作を〔　蒸留　〕という。この方法を利用すると，食塩水（食塩と水の混ざったもの）から水だけを取り出すようなことができる。これは，水と食塩の〔　沸点　〕の差を利用している。

例題　水とエタノールの混合物から，エタノールを分離，精製するために，図のような簡易的な装置で蒸留を行った。また，水とエタノールの沸点と密度を表に示す。

(1)　加熱後しばらくして，沸騰がはじまり，試験管に液体がたまり始めた。この試験管にたまった液体の主な成分は何か。

(2)　試験管にたまった液体を5cm³とり重さを測定したところ，4.3gであった。この方法で，エタノールは完全に分離，精製ができたか，理由とともに答えよ。

(1)　沸点の低い方から先に出る。エタノール

(2)　試験管にたまった液体の密度は，4.3／5＝0.86〔g/cm³〕。

　　この値はエタノールの密度と異なる値なので，完全には分離・精製できていない。

【気体の圧力】

　気体は粒子が熱運動により，活発に運動している状態である。高温になるほどその運動はより活発になる。ここで，ゴム風船に気体を閉じ込め，温度を変化させるとどうなるかを考えてみる。

　ゴム風船の中の気体は，粒子が活発に運動しているため，風船の内壁を押す力（圧力）を持っている。この気体の圧力を〔　気圧　〕という。また，高温ほど粒子の運動（熱運動）が大きくなるので，気圧は高くなる。

【飽和蒸気圧】

　液体の表面から気化が起こる現象を〔　蒸発　〕といい，このとき生じた気体を　　〔　蒸気　〕という。また蒸気が示す気圧を〔　蒸気圧　〕という。

温度，圧力が一定のもとで，容器の中の水は，見た目では何も起こっていないように見えるが，実際は絶えず〔　蒸発　〕と〔　凝縮　〕を繰り返している。逆の変化が同時に同じ割合で起こっているので，見た目では何も起こっていないように見える。このとき，容器内は，液体と気体（蒸気）がそれぞれ一定の量存在している。

　温度，圧力が一定のもとでは，これ以上蒸気が出ることはないので，このときの気体（蒸気）が示す圧力を〔　飽和蒸気圧　〕という（単に蒸気圧というもともある）。

　温度を高くすると，〔　蒸発　〕する粒子の割合が増えるので，容器内では，液体が減り，気体が増える。そのため，飽和蒸気圧は高温ほど，高くなる。

【蒸気圧曲線】

物質には蒸発しやすいものもあれば，蒸発しにくいものもあり，同じ温度でも物質の蒸気圧は，その物質によってさまざまである。物質の温度と蒸気圧の関係を示したグラフを〔　蒸気圧曲線　〕という。

　気圧はhPa（ヘクトパスカル）という単位を用いて数値で表す。このグラフから，30℃における飽和蒸気圧は，ジエチルエーテルで〔　870　〕hPa，エタノールで〔　100　〕hPa，水で〔　50　〕hPaと読みとれる（グラフの最小目盛りの1/10は目分量で読む）。

【蒸発と沸騰】

　われわれは大気（空気）のもとで生活している。つまり，われわれの体をはじめ身の回りの物は大気の気圧（大気圧）に押されて形をつくっている。膨らませた風船が温度を変えなければ一定の大きさを保つのは，ゴム風船の中の気体の気圧と大気圧が釣り合っているからである。地球の大気圧は高度や緯度にもよるが，〔　1013　〕hPaである。

蒸発は液体の〔　表面　〕から気化が起こる現象で，高温ほど起こりやすいが，どの温度でも起こる。沸騰はある一定の温度に達したとき，液体の〔　内部　〕からも気化が起こる現象である。この「一定の温度」とは，液面を押さえつけている力である　　　〔　大気圧　〕と液体から生じる蒸気の〔　蒸気圧　〕が等しくなるときの温度である。液面を押さえつける力がなくなるので，液体内部からも気化が起こる。

つまり，その物質の蒸気圧が1013hPaになるときの温度が沸点である。

例題

(1)　エタノールを60℃で沸騰させるには，大気圧を何hPaにすればよいか。

　大気圧を60℃のエタノールの蒸気圧と等しくすればよい。470hPa

(2)　富士山の山頂で水を沸騰させると，沸点はどうなるか，理由とともに答えよ。

　山頂は気圧が低いので，水は100℃以下で蒸気圧＝大気圧になる。そのため，100℃以下で沸騰する。