氷が固体状態から液体状態に溶けるとき、または沸騰した水が蒸気の形に変化するときの物質の相変化に気づいたことがありますか?なぜこれが起こるのか疑問に思ったことはありませんか？物質の相変化は、エネルギーを吸収または失うときに発生します。エネルギーが物質に吸収されると、運動エネルギーの増加により原子や分子の動きが増加します。この運動エネルギーにより、粒子は互いに遠く離れて移動し、形状が変化します。物質の相変化の背後にある科学の基礎を理解するために読んでください。
物質の状態は、ある形態から別の形態へと移行します。物質には、固体、液体、気体の 3 つの状態があります。物質のこれら 3 つの状態は、以下に説明する 6 つの相変化を最も一般的に受けます。
州の変化とは?
状態の変化とは、物質の物理的な変化を指します。これらの変化は可逆的であり、物質の化学組成は変化しません。物質の状態における一般的な相変化には、物質の凍結、昇華状態、融解、凝縮、堆積、蒸発が含まれます。
相変化はなぜ起こるのですか?
物質の相の状態の変化は、一般に、温度または圧力が変化したときに発生します。物質内の分子は、温度または圧力が上昇すると、互いにより多く相互作用します。分子や原子は、圧力が上昇したり温度が低下したりすると、より剛性の高い構造の形で落ち着きやすくなります。一方、圧力が低下すると、粒子は互いに離れやすくなります。
たとえば、通常の大気圧では温度が上昇すると氷が溶けます。温度が一定に保たれ、圧力が低下すると、最終的に、氷の物質が水蒸気に直接昇華状態になるポイントに到達します。
融解 (固体から液体へ)
融解とは、物質が固体から液体に変化するプロセスです。純粋な結晶性固体には、融解する一定の温度があります。この温度は融点と呼ばれます。それは物質ごとに異なります。一方、不純固体の固体から液体への変化は、主成分の融点以下の温度範囲で発生します。上図は、氷が溶けて液体 (水) になる例です。
凍結 (液体から固体へ)
凍結は、物質が液体状態から固体状態に変化するプロセスとして定義できます。凍結は、温度が十分に低下したときに発生するヘリウムを除くすべての液体で発生します。この物質の凝固が起こる温度は凝固点と呼ばれ、水の場合は 0°C (32°F) に等しくなります。他の物質は、凝固点が高い場合と低い場合があります。たとえば、鉄の凝固点は 1535°C、酸素の凝固点は -219°C です。上記は、加糖クリームがアイスクリームに変わる冷凍プロセスの例です。
気化（液体から気体へ）
気化は、物質の分子が液体の状態から気体の状態に自発的に変化するプロセスとして定義できます。条件が気化の過程で液体内に泡を形成できる場合、それは沸騰と呼ばれます。熱は、物質の気化の主な要因です。周囲の熱が十分でない場合、システム自体が温度低下のプロセスによって熱を発生させることがあります。液体には、強い凝集力によって結合された構成原子または分子があり、これらは蒸気の形に変換する際に分離する必要があります。上の画像は、気相へのアルコールの気化を示しています。
凝縮 (気体から液体へ)
凝縮は、物質の気体状態が液体状態に変化するプロセスとして定義できます。これは気化のプロセスの逆であり、ここでは凝縮蒸気によって熱が周囲に放出されます。この過程で放出される熱の量は、物質の特徴です。上の画像は、水蒸気が凝縮して露滴になるプロセスを示しています。
堆積（気体→固体）
沈着は、粒子が表面に沈降するプロセスとして定義できます。粒子は、溶液、懸濁液、蒸気、または混合物に由来する可能性があります。堆積のプロセス中に、気体状態から固体状態への物質の状態の変化もあります。上の画像は、鏡の固体層を生成するために、真空中で表面に銀の蒸気を堆積させる様子を示しています。
昇華 (固体から気体へ)
昇華は、物質が中間の液体状態を通過せずに固体状態から気体状態に移行するプロセスとして定義されます。上の画像は、二酸化炭素の固体形態の物質が CO2 に昇華する状態の例を示しています。 ガス。もう 1 つの例は、寒くて風の強い冬の日に氷が直接水蒸気に変わるときに見られます。
イオン化（ガスからプラズマへ）
イオン化は、気相中の原子またはイオンから電子を除去するためにエネルギーが利用されるプロセスとして定義することができます。プラズマ ボールのノベルティ トイの内部や、上層大気でのオーロラの形成中にイオン化のプロセスが発生していることに気付くでしょう。
再結合 (プラズマ → ガス)
再結合は、イオン化された粒子が気体状態に戻るプロセスとして定義されます。イオンを中和するガス内の電子または電荷の組み合わせの移動があります。
物質状態の相変化
この問題の変化を見る別の方法は次のとおりです。
ソリッド: 固体は、融解して液体状態になるか、固体から気相への直接的な変化を伴う昇華を受けます。気体または凍結する液体が堆積すると、固体が生じます。
液体: 液体は蒸発して気体になるか、凍結して固体になります。それらは、固体が溶けるか、気体が凝縮するときに形成されます。
ガス: 気体は電離してプラズマになり、凝縮して液体になるか、固体状態に直接堆積します。それらは、液体が蒸発するとき、固体が昇華するとき、またはプラズマが再結合するときに形成されます。
血漿: プラズマは再結合して気体になります。ガスがイオン化されるときに最も一般的に形成されますが、十分なスペースとエネルギーが利用可能でなければなりません。液体または固体は、直接イオン化して気体になります。
状況を観察している間、フェーズの変化は必ずしも明確または明確ではありません。ドライアイスが昇華して二酸化炭素ガスになる様子を観察すると、目に見える白い蒸気は主に、大気中の水蒸気が凝縮して霧の水滴になる水です。特定の時間に複数のフェーズが発生しています。凍結した状態の窒素が液体と気体の両方の状態に変化するとします。一度に複数の相変化が発生する可能性があります。たとえば、通常の温度と圧力にさらされると、凍結した窒素は液相と気相の両方を形成します。
結論
存在するすべての物体は、物質の状態が変化することを知るのは興味深いことです。それは、どれだけの熱が供給されるかにのみ依存します。十分な熱が供給されれば、この宇宙のほとんどすべての状態を変化させることができます。ただし、すべての物質が同じ固体-液体-気体経路をたどるわけではないことに注意してください。液体から気体に変化するために液体状態にならない物質もあります。むしろ、それらは昇華のプロセスを通じて固体から気体状態に直接変化します。ドライアイスまたは固体 CO2 、ヨウ素、および高品質の石炭の蒸気への燃焼と昇華が昇華の例です。
よくある質問
Q) 固体は融点に達すると何に変化しますか?
A) 融点に達すると、固体は液化して液体に変わります。これは、温度が上昇すると、異なる構成分子間の結合が弱まるために発生します。
Q) 沸点と融点とは?
A) 純粋な液体が液体から気体に変化する温度を沸点、固体が溶ける温度を融点といいます。物質の沸点と融点は、物質のある状態から別の状態への相変化を決定します。
Q) 固体から気相への直接的な変化はありますか?
A) はい、固体から気相への直接的な変化が起こる可能性があります。固体は、昇華と呼ばれるプロセスによって直接気体状態に変化します。この過程で液相から気相への変化はスキップされます。
Q) 物質の状態に関する事実を 3 つ書いてください。
- 物質の 3 つの状態のうち、固体が最も難しい。
- 私たちの周りの空気には、すべての構成要素が気体の状態で含まれています。
- プラズマと呼ばれる物質の状態は、日常生活ではほとんど見られません。
