物質はなぜ固体・液体・気体に変わるのか――『溶ける』『沸騰する』の正体

氷を温めると水になり、さらに温めると水蒸気になる。

当たり前の現象だが、物質そのものが別の化学物質へ変化したわけではない。H2Oという分子は基本的に同じまま、その集まり方が変わっている。

状態を決める二つの競争

物質の状態は大まかに、

• 粒子をバラバラにしようとする熱運動
• 粒子同士を引きつける相互作用

の競争で決まる。

低温では粒子運動が小さく、相互作用の影響が優勢になりやすい。高温では粒子運動が激しくなり、互いの束縛から抜け出しやすくなる。

固体は「分子が止まっている」わけではない

固体では原子や分子の位置関係が比較的固定されている。

しかし完全に静止しているわけではなく、格子位置の周囲で振動している。

温度を上げると振動が激しくなり、ある条件を超えると規則的な構造を維持できなくなって液体へ移る。

融点では温度が上がらない時間がある

氷を加熱すると0℃付近で、熱を加えているのに温度がほとんど上がらない時間がある。

加えたエネルギーが分子運動の増加ではなく、固体構造を崩すために使われるからである。

これを潜熱という。

同じことが沸騰時にも起こる。

沸騰と蒸発は違う

蒸発は液体表面から起こり、沸点以下でも進む。

液体中の分子には速度のばらつきがあり、十分なエネルギーを持った分子は表面から飛び出せる。

一方、沸騰は液体内部でも気泡が安定して形成される現象である。

液体の蒸気圧が外圧に達すると沸騰が起こる。

山の上では水が100℃未満で沸騰する

沸点は物質だけで決まる定数ではなく、圧力にも依存する。

標高が高い場所では気圧が低いため、水は100℃より低い温度で沸騰する。

逆に圧力鍋では内部圧力を高めることで水の沸点を上げ、100℃以上で調理できる。

水は少し変わった物質

多くの物質では固体の方が液体より高密度になる。しかし水は氷になると体積が増え、密度が下がる。

そのため氷は水に浮く。

これは水素結合によって氷の中に比較的隙間の多い構造が形成されるためである。

この性質は湖や海の生態系にも大きな意味を持つ。

固体・液体・気体だけではない

物質の状態にはプラズマ、超臨界流体、液晶、ボース・アインシュタイン凝縮などもある。

学校教育では三態が基本だが、物質の状態は実際にはもっと多様である。

まとめ

物質の状態変化は、粒子の熱運動と粒子間相互作用のバランスが変化することで起こる。

溶ける、凍る、蒸発する、沸騰するという日常現象を粒子レベルで考えると、温度や圧力という概念が一つの体系としてつながってくる。

関連記事

• 「温度とは何か」
• 「化学反応とは何が起きている現象なのか」
• 将来記事：「プラズマとは何か」