• ベストアンサー

物質の三態

物質の三態の説明でよく見るのが、固体はぎゅうぎゅう詰め、液体は少し動ける、気体は自由に動ける。  というのがあるのですが、融点と沸点が一定になっているときの分子の状態がイメージできません。 融点で温度が連続的に変化しない理由を教えてください。

  • 化学
  • 回答数4
  • ありがとう数5

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • Zincer
  • ベストアンサー率44% (89/202)
回答No.4

>だんだん細かい話になるのですが、固体→液体では体積は余り変化しませんよね。 >ということは液体も固体に負けないぐらいは、引っ張り合ってると思えるのです。 >結合だけでなく、ぴっちり並べられていること自体になにかエネルギー的なものが、寄与してるような気がするのですが、これがえんとろぴーやら自由度につながっていくのでしょうか? 原子(あるいは分子)間の相互作用力の話になると思いますが、専門家ではないので詳しい値は知りませんが、その相互引力はそれほど変わっていないのではないでしょうか?一応補足しておきますが、体積変化は平均原子間距離の関数であるので、一義的に結合力と結びつけるのはかなり乱暴な論議になると思います。 ただ、外力に反応して、臨機応変に今まで結合?していた隣の原子と手を切り、他の原子と手を結ぶことが出来る自由さ(あるいはこの状態)になることにある程度のエネルギーを必要とし、これが融解熱(融解エンタルピー)として現れているものと思います。 P.S. 「自由度」と言う言葉は、「相律」という分野で重要な意味をもち、ここでいう「自由の程度」とは別ですので、あとで誤解を招くともとになるので使わない方がいいと思いますよ。

memento
質問者

お礼

ありがとうございました。 平均原子間距離が何の関数かを考えずに、体積変化に結ぶのは行き過ぎでした。 当初の最大の疑問である過冷却中の原子のイメージは、かなり良かったので満足していますので、締め切りたいと思います。

その他の回答 (3)

  • Zincer
  • ベストアンサー率44% (89/202)
回答No.3

>ただエネルギーの大きい液体状態なのに温度が同じってことが不思議に感じてしまいます。 そうですねー...ここまで来るとどうしても「エンタルピー(熱として現れない内部エネルギー?)」や「エントロピー(乱雑さor自由に動ける程度?:{自由度}と書くとまた別の意味があるのであえて避けておきます。)」の概念が必要になります。 ここからはイメージの世界で話をしますので理論的な背景は無視して聞いてください。 >過冷却中の水の状態ってどういうものだろうと思ったからです。 1.穴の周りにちょっと出っ張りのあるたこ焼きを焼く鉄板を想像してください。 2.その穴にピンポン玉が入っている状態が固体です。 3.全体をゆする(加熱した状態)と、玉は穴から飛び出して自由に動けるようになります。【融解】(気体に近いイメージを持ちたいでしょうがあえて液体としてもらいます。) 4.徐々に運動を小さくしていきます。(冷却) 5.玉の運動も遅く(温度が低く)なりますが穴の周りの出っ張りに依って、すんなりとは穴に落ち着きません。  この出っ張りが相変化(液体→固体)の活性化エネルギーで、この障壁のために運動は小さい(温度が低い)のに、穴に落ちない(固体になっていない)で周りを液体状態のように自由に動いている。これが過冷却時の液体の分子の状態です。この状態ですと、「どれかの玉が穴に落ち着いた時にそのエネルギーが他の玉に伝わり、その玉も障壁を超えて穴に落ち着く。」という事が連鎖反応的に起きて一瞬にして全体が固体になります。 こんなもんでいかがでしょう? このイメージからいくと、「固体はぎゅうぎゅう詰め」というよりは、「(周りからの分子or原子によって)固定化されている。」といった表現の方が正しいかもしれませんね。現に水のように固体の方が体積が大きくなる例もありますし、ちょっと修正しておきます。

memento
質問者

お礼

ありがとうございます、すごくわかりやすいです。 たこ焼き鉄板のちょっと出っ張りをイメージしたら、かなり自然に感じることができました。 だんだん細かい話になるのですが、固体→液体では体積は余り変化しませんよね。 ということは液体も固体に負けないぐらいは、引っ張り合ってると思えるのです。 結合だけでなく、ぴっちり並べられていること自体になにかエネルギー的なものが、寄与してるような気がするのですが、これがえんとろぴーやら自由度につながっていくのでしょうか?

  • Zincer
  • ベストアンサー率44% (89/202)
回答No.2

>物質の三態の説明でよく見るのが、固体はぎゅうぎゅう詰め、液体は少し動ける、気体は自由に動ける。 ここまでイメージできるのでしたら、話は早い! >融点と沸点が一定になっているとき と、ありますが要するに「融点及び沸点で温度が一定の時」の分子の状態ですよね? 同じ温度でも0℃の氷(固体)と水(液体)とでは液体状態の分子の方が持っているエネルギーが大きいことは理解できるんですよね?要するにここで加えられた(熱)エネルギーはこの分子のエネルギーの増加に消費され、温度は(平衡状態では)上昇しません。この時の「分子のイメージ」と言う事ですが、固体状態と液体状態の分子が共存しているだけでそれぞれの分子の状態は(どちらか一方が存在している時と)変わりません。ただ、加熱によってエネルギーの大きい液体状態の分子の割合が増えているだけです。(冷却の時は逆) 以上の説明で「温度が一定になる」理由も理解していただけますでしょうか?

memento
質問者

お礼

Zincerさん回答ありがとうございます 最初から分子の動きを意識して考えていたのですが、固体と液体の中間の状態を思いつかなくて行き詰まっていました。 平衡状態を考えると温度が一定というのが納得いきました。 ただエネルギーの大きい液体状態なのに温度が同じってことが不思議に感じてしまいます。

memento
質問者

補足

私がこの質問を作った理由は、過冷却中の水の状態ってどういうものだろうと思ったからです。 たぶん、これを理解するには、固体って何? 液体って何? 温度って何? ということを考えなければならないのかなぁと思いました。 それを考える例として固ー液の状態変化を取り上げてみました。

  • miDumo
  • ベストアンサー率36% (63/171)
回答No.1

>融点で温度が連続的に変化しない理由を教えてください。 まず融点とは  ・個体→液体 へと形態が変化し始める時の『個体』の温度ですネ。 上の文をよく理解すれば『融点で温度が連続的に変化しない理由』は、   ・融点を超えて温度が上がっていく分子は個体ではなく液体になる。 からであるとわかります。 つまり水で説明すると、通常の環境で0度が融点です。 氷に熱を加えても、個体の温度がが0度以上にならない理由は、 0度を超えて熱を持ったH2O分子は水に形態を変え、氷に加えられた熱は、次々と氷を溶かし水へとその熱エネルギーを伝えていくためであると説明されます。 <まとめ> 液化とは個体の分子結合を解くことであり、結合を解くには一定のエネルギーが必要です。しかし、一定以上のエネルギーを加えられても融点以上に熱エネルギー(分子の振動)を蓄積できない(振動のため結合が切れる)ため個体の温度は溶けきるまで一定なのです。(溶けている間個体に加えられたエネルギーは、液化のため使われたり、液体に吸収され液体の温度は上がり続けます)  

memento
質問者

お礼

返答ありがとうございます、 固体と液体の違いは振動で分子結合が解けることにあるんですね ここで疑問は >溶けている間個体に加えられたエネルギーは、液化のため使われたり、液体に吸収され液体の温度は上がり続けます 温度が上がったら温度は一定にならないのではと思ってしまいました。

関連するQ&A

  • 物質の状態はなぜ3態(固体、液体、気体)であり、2でも4でもないのです

    物質の状態はなぜ3態(固体、液体、気体)であり、2でも4でもないのですか?実は連続的? 物質の状態変化では、固体を加熱すると液体、気体と変わっていきますね(昇華ではいきなり気体ですが)。水は0度で融解し、100度で沸騰します。これって固体と液体の間、液体と気体の間といった中間の過程を通じて変化するのでしょうか? もし中間の状態があるなら、連続スペクトルである虹を7色というのと同じく適当に分けただけですよね。 もし中間の状態がないならその理由を知りたいです。 固体は物質間の相互作用(斥力と引力)でかなり分子同士が固定され自由に動き回れないもの。 液体は分子などが自由に飛び回ってはいないがやはり相互作用がある程度働いているもの。 気体は分子間の相互作用がほとんど働かず自由に飛び回っているもの。 と解釈しています。 これらは連続した状態なのでしょうか? ドロドロのマグマ、超臨界流体など中途半端な状態っぽいのってありますよね? 長文になりましたが、ご存じの方教えてください。お願いいたします。

  • 物質の三態?三体?

    漢字についての質問です。 (1) 気体・液体・固体を物質の三態という。 (2) 気態・液態・固態を物質の三態という。 (3) 気体・液体・固体を物質の三体という。 (4) 気態・液態・固態を物質の三体という。 ふつうは(1)のように書くと思うのですけど、これは何故でしょうか? 私は、(2)や(3)のように、「態」か「体」で統一してあるほうがすっきりしていていいと思います。 「三態」を「三体」と書くのは間違いですか?

  • 常圧で,沸点(100℃)以下の水蒸気が存在する理由

    こんばんは,よろしくお願いします。 水の状態変化,融点以下なら氷(固体),融点を超えると水(液体),沸点を超えると水蒸気(気体)と教えられた気がするのですが,よく考えてみれば,常温常圧の空気中に,沸点を超えていないにもかかわらず,水蒸気が存在していますよね。飽和水蒸気量以内であれば,水蒸気が存在しているとも習いました。 ここで,ハタと疑問に思いました。常温常圧でなぜ気体の状態の水蒸気が存在できるのか?融点以下でも,そういえば昇華が起きて気体の水蒸気になるとも教えられました。なぜでしょうか? 私なりに考えてみました。このような考え方でよろしいのかどうか,教えてください。 【私の見解】 融点とは,氷でいることが出来なくなる温度,沸点とは,液体の水でいることが出来なくなる温度。と理解するのが正しい。 だから,融点以上では固定でいることが出来ないが,融点以下で,過冷却の水であったり,水蒸気がが存在することはあり得る。また,沸点以上では固体や液体で存在することが出来ない。だから,沸点に達すると耐えきれないように,液体内部からであっても蒸発がどんどん起こり,気化していく。しかし,沸点以下であっても気体の水蒸気は存在できる。このように理解するのが正しい。 いかがでしょうか。素人の意見に専門家や詳しい方の御意見,御解説をお願いします。

  • 中学理科・物質のすがた

    カテゴリが違っていましたらすいません。 とある問題集をやっていて、分からないことがあったので質問させていただきます。 ======================== 【1】下の図は、ある液体の物質をフラスコに入れ、加熱した時の温度変化を表すグラフである。 次の各問に答えよ。 (1)Aの温度を何というか。 ======================== 答えは「融点」かと思ったのですが、どうやら違って「沸点」でした。 なぜ沸点なのでしょうか。下の図のどこで「融点」と「沸点」を見分ければよいのでしょうか。 分かる方いらっしゃいましたら、教えてください。 よろしくお願いします。

  • なぜ、水は凍るのですか?

    我々の身近な物質は、温度や圧力の変化によって 固体(固相)、液体(液相)、気体(気相)に変わります。 その変化は、液体がだんだん固くなって固体になるの ではなく、不連続に異なる物性へと変化します。 そこで質問です。なぜそのような不連続と言える変化が 生じるのでしょうか?よろしくお教えください。

  • 状態変化について

    物質は温度によって、固体,液体,気体いずれかの状態をとりますよね? 例えば、水は、温度を下げれば氷(固体)となり、温度が上がれば、気体となりますね。 では、一定温度のもとで圧力をかけた場合、物質の状態はどう変化するのでしょうか?

  • 物質の3態

    物質は同じ分子からできているものでも固体と液体と気体では性質が違うのはなぜですか?分子の運動の違いなのかなと思いますが詳しくはわかりません。教えてください

  • ナフタレンについて

    ナフタレンは固体からいきなり気体になるのですか?資料集などをみると融点と沸点が記載されていて、ということは液体状態が1気圧下でも存在するのかと思いまして。または昇華する温度のことを融点というのでしょうか。そこのところ詳しい方、教えて下さい。

  • 物質の融点と固液平衡

    私の持っている参考書には 「固体を加熱していくと,ある温度で液体への状態変化がおこる。融点とは融解がおこる温度であるとともに,固体と液体が共存し,両者が固液平衡の状態にあるときの温度でもある。」 と書かれています。 ここで、温度が融点に達して融解が始まり、そして固体全部が融解し終わるまでに、時間がかかると思います。 その間、固体と液体が共存しているのは分かるのですが、ずっと固液平衡の状態なのでしょうか?? だんだんと液体が増えていき、最後には液体だけになるのに、固液平衡なのでしょうか??

  • 気体から固体になる物質はなに?

    固体から気体に変化するのはドライアイスを例にとればイメージがわきますが、気体から固体へ昇華する物質にはどのようなものがありますか? おしえてください。