はじめに

このページでは、物質の三態と状態図について、グラフや各種用語などを一から丁寧に解説していく。大学入試でも頻出の分野なので必ず理解しておくようにしよう。


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物質の三態とは

全ての物質には固体・液体・気体の3つの状態が存在し、これらのことを物質の三態という。(例:氷・水・水蒸気)
また、物質の状態は温度と圧力によって変化し、この変化のことを状態変化という。

固体が液体になることを融解、液体が固体になることを凝固、液体が気体になることを蒸発、気体が液体になることを凝縮、固体が気体になること・気体が固体になることをどちらとも昇華という。

また、状態変化が起こる温度を表す次の用語は覚えておこう。

【融点】固体が液体になる温度
【凝固点】液体が凝固して固体になる温度
【沸点】液体が沸騰して気体になる温度

状態図

温度による物質の状態変化を表した次の図を状態図という。

次の図は二酸化炭素の状態図である。各領域の境界線は2つの状態が共存している状態、点Xは三重点という3つの状態が共存している状態である。点Zは臨界点、領域Yは液体・気体の区別ができない状態であり超臨界状態と呼ばれる。また、この状態にある物質を超臨界流体という。

PLUS+

水の状態図は二酸化炭素のものとは異なる。

氷と水の構造〜水素結合・密度の違いなど〜でやったように、氷は水分子が水素結合で配列した隙間の多い構造が長距離にわたって続くため、液体の水より体積が大きい。水の状態図のOBの境界線が左上がりになっているのは、温度一定で圧力をかけていくと、どこかで氷の隙間の多い構造が破壊され、より隙間の少ない液体の水になるからである。

状態変化のグラフ

状態変化を、温度を縦軸に、加熱時間を横軸にしたグラフで表すことがある。

固体に熱を加えていくと、固体→液体→気体という流れで状態変化していく。状態変化している間は温度は下がらず一定となる。

【図の見方】

・①部分(固体→液体、液体→固体)
固体に熱を加えていくと固体の温度が上昇する。しかし、ある温度に達すると液体に変化し始め、温度が一定に保たれる。これは加えた熱が全て状態変化に使われるためである。このように、固体が液体になる変化を融解、融解が始まる温度を融点という。
ちなみに、液体を冷却していくと液体の温度が降下し、ある温度に達すると固体に変化し始める。このように、液体が固体になる変化を凝固、凝固が始まる温度を凝固点という。融点と凝固点は一致する。

・②部分(液体→気体、気体→液体)
液体に熱を加えていくと液体の温度が上昇する。これを沸騰といい、沸騰が始まる温度を沸点という。融解同様、沸騰が起こっている間、温度は一定に保たれる。
反対に、気体を冷却すると気体の温度が低下し、液体に変化する。このように、気体が液体になる変化を凝縮、凝縮が始まる温度を凝縮点という。沸点と凝縮点は一致する。

・固体→気体、気体→固体
通常、固体の結合が一部切れて液体へ、残りの結合が全て切れて気体へ状態変化するが、引力の小さい物質は一気に全ての結合が切れて固体から直接気体に変化する。このように、固体が直接気体になる変化を昇華という。また、気体→固体の変化も同様に昇華という。
昇華性をもつ物質として覚えておくべきものは「ドライアイス・ヨウ素・ナフタレン」の3つである。

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