12節：物質の三態

物質には固体・液体・気体の3つの状態があり、同じ物質でも温度や圧力の条件によって変化します。これを物質の三態といいます。

物質は温度や圧力によって三態に変化することから、標準的な状態を定義しておく必要があります。一般に温度20℃を常温、1気圧を常圧としており、これを常温常圧といいます。

三態の変化は次のようにまとめることができます。昇華（固体が気体になる変化）の例として、ドライアイスやナフタレンが挙げられます。凝華（気体が固体になる変化）の例として、霜や樹霜が挙げられます。また、昇華して固体から気体になるときに周囲から熱を奪うことを昇華熱といいます。

たとえば、固体の氷は周囲から熱を吸収すると液体の水になり、水はさらに加熱されて熱を吸収すると水蒸気になります。反対に、水蒸気は温度が下がって熱を放出すると水滴となり、水は冷凍庫などで熱を奪われると氷になります。

固体が液体に変化する温度を融点、液体が気体に変化する温度を沸点、液体が固体に変化する温度を凝固点といいます。一般に、融点より沸点の方が高くなります。

固体・液体・気体における質量・体積・密度・粒子間の引力の違いは、次のようにまとめられます。

質量：物質を構成する粒子は、温度や気圧が変化しても増減しません。

体積：温度が高くなると、粒子の熱運動が大きくなり、体積は増加します。ただし水は水素結合の影響を受け、固体（氷）の体積が液体（水）の体積より大きくなる例外があります。

密度：温度が高くなると体積が大きくなるため、物質の密度は小さくなります。

物質が温度と圧力の条件に応じてどのような状態にあるかを示した図を状態図といいます。状態図は物質の種類によって決まった形になります。

状態図において、3本の曲線で分けられた部分では、物質は固体・液体・気体のいずれかの状態で存在します。また、これらの曲線上では両側の状態が共存します。

3本の曲線の交点は三重点と呼ばれ、固体・液体・気体の3つの状態が共存しています。水であっても、圧力の低い状態では昇華が起こります。

物質の温度と圧力を高めていくと、気体と液体の区別がつかなくなり、いくら圧力を高めても凝縮が起こらなくなります。この点を臨界点といいます。

氷を加熱していくと、固体から液体、さらに気体へと変化します。このとき融解や蒸発が始まると、温度が変化しなくなる瞬間があります。これは、加えた熱量がすべて融解熱や蒸発熱として利用され、温度変化には利用されないためです。

溶解とは、物質が液体中に溶けて均一な液体となる現象をいいます。元の液体を溶媒、溶けて均一になった液体を溶液、溶解した物質を溶質といいます。

固体の溶解度は、一般に温度が高くなるほど大きくなります。ところが気体の溶解度は、温度が高くなるほど小さくなり、また、圧力が高くなるほど大きくなります。たとえば炭酸水は、温度が低くなるほど、また、圧力が高くなるほど、より多くの炭酸を水に溶かすことができます。

純粋な物質（液体）であれば、凝固点と沸点は物質ごとに定まっています。しかし、不揮発性の物質を液体に溶解させると、その希薄溶液は凝固点降下または沸点上昇を起こします。

凝固点降下または沸点上昇において、溶媒と溶液の凝固点または沸点の差を、それぞれ「凝固点降下度」「沸点上昇度」といいます。

希薄溶液の凝固点降下度または沸点上昇度は、溶質の種類に関係なく、溶液中の溶質の質量モル濃度に比例します。質量モル濃度は、溶媒1kg中に溶けている溶質の物質量（モル）で表した濃度で、単位はmol/kgです。