状態変化

物質の三態

固体

物質を構成する粒子が規則正しく並び、決まった位置で細かく振動(熱運動)している。

液体

粒子が互いに接近した状態で、自由に位置を変えながら熱運動している。

気体

粒子が空間を自由に動き回れる状態。

状態変化

融解

固体から液体への変化

固体の温度が高くなると、粒子の熱運動が激しくなり、やがて粒子は自由に位置を変えられるようになる。この状態変化が融解である。

凝固

液体から固体への変化

液体の温度が低くなると、粒子の熱運動が弱くなり、やがて粒子は規則正しく並ぶようになる。この状態変化が凝固である。

蒸発

液体から気体への変化

液体の温度が高くなると、粒子の熱運動がしだいに激しくなり、一定以上のエネルギーをもつ粒子が、粒子間の引力を振り切り、液体の表面から飛び出して気体になる。この状態変化が蒸発である。

凝縮

気体から液体への変化

気体の温度が低くなると、粒子の熱運動が弱くなり、

昇華

ヨウ素やドライアイス、ナフタレンのように、弱い分子間力による分子結晶では、気体が直接固体になったり、固体が直接気体になったりする。このような状態変化を昇華という。

状態変化と熱

融解熱

固体が液体になるときに吸収する熱量のこと

固体を融点に達するまで加熱すると、それ以上加熱を続けてもすべての固体が融解するまで温度が一定に保たれる。この理由は、加熱で加えた熱量が、融解熱に使われるためである。

蒸発熱

液体が気体になるときに吸収する熱量のこと

液体を加熱すると沸点で温度が一定になるのは、加えた熱エネルギーが蒸発熱に使われるためである。

凝縮熱

気体が液体になるときに放出する熱量のこと

凝固熱

液体が固体になるときに放出する熱量のこと

物質の融解熱と蒸発熱

融解熱や蒸発熱の大きさは、物質によってそれぞれ決まっている。一般に、同じ物質では、融解熱より蒸発熱のほうが大きい。

また、融解熱や蒸発熱の大きさは、物質の種類によって大きく異なっている。これは、粒子間にはたらく引力の大きさが異なるためである。

粒子間にはたらく力と融点・沸点

分子間力

分子同士が近づくと、分子間に弱い引力がはたらく。このような分子間の弱い力を分子間力という。結合力は、イオン結合や共有結合に比べると非常に弱い。

分子間力には、ファンデルワールス力と水素結合などがある。

ファンデルワールス力

N2やCO2などの無極性分子は、常温では気体であるが、冷却すると液体や固体になる。これは、無極性分子の間に、互いの分子を引き合う弱い分子間力がはたらくためである。

また、分子内に電荷のかたよりがある極性分子では、分子間で静電気的な引力がはたらくため、無極性分子よりも強い分子間力で結びつく。

これらの分子間にはたらく引力をファンデルワールス力という。ファンデルワールス力は、化学結合(イオン結合、共有結合、金属結合)に比べると約1/100程度の結合力である。

水素結合

F、O、Nのような電気陰性度の大きな原子が、水素原子と結合して分子をつくると、分子中のF、O、Nの原子と、となりの分子中の水素原子との間に、特に強い分子間力がはたらく。

このような、水素原子を仲立ちとしてできる結合を水素結合という。

水素結合の結合力は、イオン結合や共有結合よりも弱いが、ファンデルワールス力よりは強い(イオン結合の結合力を1000とすると、水素結合は100で、ファンデルワールス力は10-35)。