中学1年化学 - 物質

物質には「固体」「液体」「気体」の3つの状態（三態）があります。
温度の変化によって状態が変わることを「状態変化」と呼びます。

• 固体 → 液体：融解（氷が溶けて水になる）
• 液体 → 固体：凝固（水が凍って氷になる）
• 液体 → 気体：蒸発・気化（水が水蒸気になる）
• 気体 → 液体：凝縮・液化（水蒸気が冷やされて水滴になる）
• 固体 ↔ 気体：昇華（ドライアイスが気体の二酸化炭素になる）

ろうのように、大部分の一般的な物質では次のような法則が成り立ちます：

状態変化	質量	体積	表面の様子
固体 → 液体	変わらない	増加する	平らになる
液体 → 固体	変わらない	減少する	中央がくぼむ

液体から固体に固まるとき、周囲（ビーカーに触れている外側）から先に固まり、後から固まる中心部が縮むため、中央が大きくくぼみます。

水分子は氷（固体）の結晶を作るとき、隙間の多いすきま構造（正六角形状の骨格構造）をとるため、液体よりも体積が約10%（約1.1倍）増加します。
$$\text{密度} = \frac{\text{質量}}{\text{体積}}$$ であるため、質量が同じで体積が増加すると密度は小さくなります。

• 液体の水の密度：およそ $1.00\text{ g/cm}^3$
• 氷の密度：およそ $0.92\text{ g/cm}^3$

密度の小さい物質は密度の大きい液体の上に浮くため、氷は水に浮きます。

粒子モデルでの三態の比較：

• 固体（A）：粒子同士が規則正しく密に並び、位置を変えずにその場で細かく振動している状態。
• 液体（B）：粒子同士はほぼ接しているが、互いの位置を自由に変えながら動き回っている状態。
• 気体（C）：粒子同士が大きく離れ、広い空間を非常に速いスピードで自由に飛び回っている状態。

水が水蒸気（気体）になると、粒子の間隔が一気に広がるため、体積は約1700倍にも増加します！

純粋な物質では、状態変化が起きている間は温度が一定になります。

• 融点：固体が溶けて液体になるときの温度。固体のすべてが液体になるまで温度は上がりません。
• 沸点：液体が沸騰して気体になるときの温度。液体のすべてが気体になるまで温度は一定です。

蒸発は液体の表面だけで起こる現象ですが、温度が沸点に達すると液体の内部からも盛んに気化が起こります。これを「沸騰」と呼びます。
沸騰中の泡は空気ではなく、水が気体になった「水蒸気」です。水蒸気が水面に達して空気に触れると冷やされ、白く見える「湯気（微小な水の粒）」になります。

純物質（水やエタノール単体）は沸点に達すると温度が水平に一定になりますが、混合物は一定の沸点を持ちません。
沸点が低いエタノール（$78^\circ\text{C}$）が先に気体になって液から抜けていくため、液体の組成が徐々に「水（沸点$100^\circ\text{C}$）」に近づき、沸騰温度が $100^\circ\text{C}$ に向かって上がり続けます。

蒸留は高校入試でも最頻出の実験です！

• 温度計の位置：フラスコ内の液体の温度ではなく、枝から出ていく蒸気（気体）の温度を測定するために、枝の付け根に合わせます。
• 逆流防止：火を消す前に必ず管の先を液体から抜きます。これを忘れると冷たい液体が熱いフラスコ内に逆流し、ガラスが急冷されて割れる危険があります。

エタノール（沸点$78^\circ\text{C}$）は水（沸点$100^\circ\text{C}$）よりも沸点が低いため、加熱初期に多く蒸発して出てきます。

• 1本目（試験管1）：エタノールが非常に多く含まれる。強いアルコール臭があり、火を近づけると青白い炎を上げてよく燃える。
• 2本目（試験管2）：エタノールと水が混ざっている。においは弱くなり、火がつきにくくなる。
• 3本目（試験管3）：ほとんどが水。においはほとんどなく、火を近づけても燃えない。

• ア（打ち水）：撒いた水が蒸発（液体→気体）するとき、周囲から「気化熱（熱エネルギー）」を奪うため温度が下がります。
• イ（コップの水滴）：空気中の水蒸気（気体）が冷たいコップに冷やされて水滴（液体）になったものです。コップの内側の水がしみ出たわけではありません！
• ウ（ドライアイス）：ドライアイスは二酸化炭素の固体です。常圧では液体にならず直接気体になります（昇華）。
• エ（氷が張る）：液体の水が冷やされて固体の氷になります（凝固）。