かがくののおと　16

物質の状態と変化

  1. 分子(粒子)　1個

    　ここまでの講義で扱ってきた分子は，基本的には，気体である．つまり，分子が 1 個しかない，理想的な状態である．液体や固体に話しを進めるためには，集団としての扱いを取り入れなければならない．ここでは，特に断らない限り，集団を構成する分子は，同じ挙動をすると考える．ただし，分子が 1 個しかない場合や，分子がすべて同じ挙動をとると，温度という概念はなくなってしまうので注意すること．(集団の挙動についての，より正しい取り扱いは，もう少し先におこなう)

    表　3つの相の比較　 　 　
    体積形その他
    気体容器に依存ない限りなく自由に膨張する　
    液体あるない相互の位置は一定でない　
    固体あるある結晶　非結晶　過冷却液体

    　ガラスは固体であるか．実は，液体の性質を残した，固体である．
    　臨界点における，水は，液体と気体の区別ができない．
    　つまり，すべての物質を，単純に3つの相に分類することはできない．あくまでも目安である．
    　ゼリーは，個体であるか．

    　

  2. 分子間力

    　自由に飛びまわり，運動している分子が，エネルギーを失っていくと，どうなるか．分子と分子の間に何らかの力がなければ，やはり気体のままである．しかし，実際の分子と分子の間には力が働く．この結果，気体は，液体もしくは，固体となる．分子と分子の間に働く力は，分子間力もしくは，ファン　デア　ワールス力という．永久的な双極子モーメントによる力と瞬間的な双極子モーメントによる力による．いずれも，静電気力である．

  3. 気体

    　気体を扱う式として，理想気体の状態方程式がある．理想気体の状態方程式は，エネルギーについての方程式であることに注意すること．すなわち，気体の体積と圧力の積は，エネルギーの次元を持っている．

    　　　　p V = n R T

    　p は，圧力(N/m2)，V は，体積(m3)， n は，モル数(mol )， R は，気体定数(8.315 J / K mol) ， Tは，温度 (K)．理想気体とは，気体分子に大きさがなく，分子間力もない，粒子の集団である．

    　実在気体にあわせる式として，ファン　デア　ワールスの式がある．

    　　 (p - an2/V2 )( V - bn) = n R T

    　aは，気体分子同士の引力による補正項，bは，気体分子自身の体積による補正項である．

    　より実際の挙動にあわせるため，実験値を基にした式が各種ある．

  4. 液体

    　水蒸気を冷却していくと，液体の水になる．これは，凝縮である．(結露という場合もある．)　この反対は，蒸発である．沸点は，液体の蒸気圧が，大気圧に等しくなる温度である．沸点は，気圧が下がると，低くなる．山の上では，水は，100℃以下で沸騰する．(沸点と温度の関係は，後期に扱う)

    　気液平衡状態では，蒸発により液相から気相に飛び出していく分子と，気相から液相に飛び込んでくる分子の数が等しくなっている．

    　固相も含めて，気相-液相-固相で，平衡状態にある場合を，3重点とよぶ．

  5. 固体

    　我々の生活している状態，1気圧で，ある種の気体は，冷却していくと，気体から，固体になる物質がある．これも，凝縮という．この物質は，加熱により，気化する．この変化は，昇華である．

    　気体を冷却すると，分子間力により，液体か固体になる．この違いは，流動性があるか，ないかである．また，固体になる場合は，たいてい，分子の並び方に規則性がある．

    　水は，特異的な物質である．
    　水が規則的に配列した場合は，氷である．氷は，水が水素結合で，規則的に配列した状態である．液体の水でも，水素結合によって，水分子相互に結びつきがあるが，お互いの位置関係は，変わることができ，したがって，流動性がある．
    　固体の水は，水素結合をもとに配列してしまうが，分子の隙間が液体よりも大きくなくなる．このため，水は固体になることで，液体よりも体積が増加する．このような特異性のおかげで，われわれは，スキーやスケートを楽しむことができるのである．

  6. 結晶

    　分子(粒子)が規則的に配列した場合を，結晶と呼び，そうでない場合は，非結晶と呼ぶ．その両方が含まれる場合もある．

    　1つの結晶からなる場合は，単結晶．多数の結晶から構成される場合は，多結晶．我々が目にする，ダイヤモンドやルビー，サファイアなどの宝石は，単結晶である．一般に，多結晶は，不透明である．一方，非結晶は，ガラスがそうであるように，透明である．

    結晶には，

    　　
    　
    　 図　16.6　シリコンの結晶(ウエファー) 図　16.7　NaCl の単結晶
    　

    　

    7. 　　
    　
    　 図 16.5　アイスコーヒーの中にもドラマがある．(大げさやけど．)　アイスコーヒーは，1つの固相と2つの液相で構成されている．

    混合物

    　ここでは，複数の成分からなる系を扱う．また，複数の相も出現する．(こういった系を扱う場合，相律が役に立つ．)

    　

  7. 相　phase

    　相とは，物理的化学的に同じ性質をもつ，均質な物質の領域である．と書けば，なんだかややこしい．氷の浮かんだ，アイスミルク(ミルクの入ったアイスコーヒーでもよい)でみれば，氷は，固相であり，牛乳は，液相である．ただし，牛乳は，白い液体であるが，小さな油の粒子が水の中に分散している，水と油の相に分かれる．液相は，2つの相に分かれている．水の相には，糖分やタンパク質が溶解しているので，水溶液である．液相は，純物質とは限らない．

    　物質の分離や精製は，相の違いや性質をうまく利用することにより行われる．濾過，抽出，蒸留，再結晶などは，実験室で頻繁に行われている．

    今回は，複数の相が存在している系を扱う．

  8. 固体と液体の相

    　2つの物質の混合物において，観察される固体と液体の間での相変化を示す状態図(相図)のもっとも簡単な場合を，図16.6に示す．

    　　
    図 16.6　共晶系の相状態図

  9. 液体と液体の相

    　　
    図 16.7　2種類のドレッシング．左は，セパレートドレッシング，右は，フレンチドレッシング．両方とも，2つの液相が存在する．

  10. 気液平衡

    　水の入ったコップでは，ミクロに見ると，どんなことが起きているのか．液体の水分子が飛び出し，空気中に存在する，気体の水分子が飛び込んで来る．気液平衡状態では，同じ時間内に，飛び出す水分子の数と，飛び込む水分子の数が一致する．これは，雨の日のように，湿度100%の時に相当する．こんな日には，洗濯物は，乾かない．

    　　
    　
    　 図　16.1　液体分子と気体分子の入れ替わり 図　16.2　湿度が下がると，蒸発する分子の方が優勢になる．

    　ある温度で，ある物質の液相と気相が，釣り合っているとき，気液平衡状態にある．このときの，その物質について，気相の圧力を蒸気圧という．

  11. 溶液の場合

    　高沸点物質が解けている，溶液の場合は，どうなるであろうか．

    　　
    　
    　 図　16.3　蒸発しない分子が溶けている溶液 図　16.4　市販の乾燥剤．中身は，塩化カルシュウム

    　気液平衡が成り立っているとき，ミクロ的には，飛び出す水分子と飛び込んでくる水分子の数は等しい．液相の水に，蒸発しにくい成分が加わると，その量に応じて，飛び出す水分子の数が減少する．減少する割合は，表面に現れる分子の比に依存する．すなわち，モル分率に比例する．

  12. 確率的問題

    　2種類の物質が混じり合う溶液の性質は，多くの場合，確率的問題として扱える．溶液中の分子が，液体から気体へと飛び出すとき，2種類の物質のうち，いずれの分子が飛び出すかは，確率的問題である．すなわち，表面に存在する分子の数の比率で決まる．分子の数の比率は，溶液中のそれぞれの分子のモル濃度の比に，当然，等しい．この比のことを，モル分率という．

    　液体Aが第二成分を含まないときに示す蒸気圧を p0 とすると，第二成分の含むときの，液体Aの蒸気圧 p は，ラウルトの式で示される．

    　　　　 　　

    　実際の溶液は，物質の組み合わせによっては，ラウルトの式から多少はずれる．

    物質が何であるかに関係なく議論できる性質を，束一的性質という．

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Last updated, Feb. 7, 2009