固体・液体・気体
それぞれ、物質がどのような状態なのかを示す言葉です。
中学校の時の理科なんかで習った記憶はありますが、いざそれぞれどういう状態なのか聞かれると、詳しく分からないところもありました。
そこで今回は、固体・液体・気体について調べてみて、それぞれの特徴を分かりやすくまとめてみました！
このページでは、固体・液体・気体の違いと合わせて、それに関わるおもしろ話も載せていますので、ぜひ最後まで読んでみてくださいね(^^)
固体・液体・気体の違い
それでは、早速ですが固体・液体・気体がどいう状態なのかを確認しながら、その違いを見ていきたいと思います。
まずは、固体・液体・気体とはどいう状態なのかをまとめると、下記の通りとなります。
- 固体＝体積と形が同じ決まっている状態
- 液体＝体積は同じだが、形は自由
- 気体＝体積も形も自由自在
上記の特徴を見てみると、固体・液体・気体は体積や形が変わるかどうかに違いがあることが分かりますね。
しかし、まとめただけだとまだ少し分かりにくいところもありますので、それぞれがどいう状態なのかを分子レベルのミクロの世界まで覗いて見て行きたいと思います。
固体
固体は文字通り固い物質で、体積や形が変わらない状態です。
身近なものにある、ほとんどもののが固体ですよね。
ミクロの視点で見ると、物質を構成している分子が常に決まった位置にあって、そこからほとんど動かない状態になっています。
液体
液体は、体積は変わらないですが、形は自由に変わることができる状態です。身近なものでは、水があります。
ミクロの視点で見ると、固体と違って分子がずっと同じ場所に留まっているのではなく、自由に動くことができるようなります。
ただ、このときにとなり同士の分子と手をつなぎながら動いているような状態で、分子同士が大きく離れることはありません。
気体
気体は、体積も形も自由に変われる状態です。身近なものでは、空気があります。
ミクロの視点でみると、分子がそれぞれ飛び回っているような状態です。
このように自由に飛び回っているの状態なので、体積も形も自由に変わることができるのですね。
水の場合
前章では、固体・液体・気体の違いについて触れましたが、ここからは、最も身近な水の場合の例を見ていきたいと思います。
水の３態
固体・液体・気体の状態のことを物質の３態とも言いますが、水の３態はご存知の通り、氷・水・水蒸気です。
ちなみに水蒸気は、イラストではイメージしやすいように湯気のような画像にしていますが、本物の水蒸気は空気と同じく目には見えません。
目に見える湯気は、実は非常に小さい液体の水の粒で、霧や雲と一緒の仲間です。
水の分子
上記のように、同じ水でもいろいろな形になるのですが、水の成分である分子「H2O(酸素原子に水素原子が2個結合したもの)」に変わりはありません。
この水分子が、常に決まった位置にい続けるのが氷、手をつなぎがら動き回っている状態が水、それぞれが自由に飛び回っている状態が水蒸気ということになります。
温度・圧力との関係
次は、固体・液体・気体と、温度と圧力の関係を見て行きたいと思います。
実は、固体・液体・気体はそのときの温度と圧力によってどのような状態になるかが決まるので、そこを深堀していきます。
水の相図
ここでは、物質の代表として、水の温度・圧力との関係を見て行きます。
水の３態、氷・水・水蒸気と温度・圧力の関係をグラフにしたものを「相図」といい、水の相図は下記の通りになります。
大気圧（地表の圧力）では、０℃までは固体である氷、０℃～100℃の間は液体である水、100℃以上だと気体である水蒸気になります。
そして、圧力と温度が高いほどより気体になりやすくなります。
図中の昇華曲線は氷からいきなり水蒸気に変わるライン、融解曲線は氷から水に変わるライン、蒸発曲線は水から水蒸気に変わるラインです。
また、昇華曲線・融解曲線・蒸発曲線が交わるところでは、固体・液体・気体のどの状態にもなれる３重点というポイントが存在します。
ここは、氷と水と水蒸気がお互いに交じり合ってるような、とても奇妙な状態です。
※物質が固体・液体・気体に変化するときのことを状態変化と言いますが、状態変化については別ページで詳しくお話していますので、気になる方はこちらにも遊びにきてくださいね。
減圧沸騰
今度は、減圧沸騰の画像を見てみたいと思います。
相図を見ると、圧力が下がるほど低い温度でも沸騰することが分かります。
下記の動画では、フラスコの中の空気を真空ポンプで抜いて減圧しています。
水の温度を測ってる温度計は21℃で普段は液体の状態の水ですが、真空ポンプを作動させるとすぐに水が沸騰を始めるのが良く分かります。
圧力鍋の仕組み
これは先ほどとは逆で、圧力を高くすると水の沸点が高くなることを利用している調理器具、圧力鍋です。
圧力鍋は鍋の中の圧力を高く（大気圧の1.5～2倍程度）して、水が沸騰する温度を高くします。
この時、圧力鍋の中での水の沸点は110～120℃くらいになり、普通の鍋では100℃の水にしかならないところを、約115℃の水にして調理することができます。
そのため、圧力鍋を使ったら、調理時間が短くなったり、使い方によってはより美味しく調理できるようになるのですね。
色々な物質の融点と沸点
ここでは、色々な物質の融点と沸点をご紹介したいと思います。
日常生活では、固体・液体・気体の状態全てを目にするのは水以外にはあまりありませんが、もちろん水以外の物質もこのように姿を変えていきます。
そして物質ごとの、固体と液体の境目である融点、液体と気体の間である沸点の温度がこちらになります。
| 物質 | ||
|---|---|---|
| 酸素 | ||
| 窒素 | ||
| エタノール | ||
| 水銀 | ||
| 水 | ||
| アルミニウム | ||
| 塩 | ||
| 鉄 |
良く知られている部分としては、なんでもすぐに凍らせることができて実験に良く使われる液体窒素などがありますね。
また、エタノールはお酒（アルコール）の主成分でもあります。
良く、料理酒などを使って調理してもアルコールは飛ぶから子供が食べても大丈夫と言ったりしますが、それはエタノールの沸点が水より低い78℃のためです。
沸騰している鍋の中にお酒を入れると、エタノールが蒸発して気体になって、文字通り飛んで行くから大丈夫だったのですね。
固体・液体・気体の質量・体積・密度
最後は、固体・液体・気体の状態の時の、質量・体積・密度がどのように変化するのかをご紹介して終わりにしたいと思います。
このとき、水以外の物質と水の場合で特徴が違ってくるので、それぞれ分けて説明していきます。
水以外の物質
まずは、水以外の物質についてですが、それぞれ下記の表の通りとなります。
| 質量 | |||
| 体積 | |||
| 密度 | |||
質量は一緒ですが、体積は固体の場合が一番小さく、液体の場合がその次、気体の場合が一番大きくなります。
このとき、固体と液体の体積はさほど大きな差はありませんが、気体になると急激に体積が大きくなります。
水の場合
次は、水の場合がこちらです。
| 質量 | |||
| 体積 | |||
| 密度 | |||
見てみると、気体の場合が一番体積が大きいのは同じですが、固体と液体が逆になっており、液体の状態が一番体積が小さくなっています。
これは、液体の状態が密度が一番高いということにもなり、水の中で氷が浮くのはこのためです。
日常生活であまりにも見慣れた光景のため何ら不思議には思わないところですが、実は固体が液体の中で浮くというのは水だけの驚きの特徴なのです。
他の物質では、液体の状態の中に固体の状態のものを入れると、固体の方が密度が高いので沈んでいきます。
水だけが固体より液体の方が体積が小さくなるのは、水素結合という現象が起きているのが理由です。水素結合が起きると、液体の状態で分子同士の手をつなぐ力が強くなり、より分子同士が近くなります。そのため、水の場合だけ固体よりも液体の方が分子間の距離が近くなり、体積が小さくなるのですね。
まとめ
以上で、固体・液体・気体の違いについてと、それに関わるおもしろ話についての話を終わります。
まとめると、下記の通りです。
- 固体は、分子がほとんど動かずに同じ位置にいる状態
- 液体は、分子同士が手をつなぎながら自由に動き回っている状態
- 気体は、分子が飛び回って自由に動いている状態
- 水(H2O)の３態は、氷・水・水蒸気
- 物質の３態と圧力・温度との関係を表した図を「相図」という
- ３重点という、固体・液体・気体どれでもオーケーの不思議な点がある
- 圧力が高いと、液体から気体に変わる温度の沸点が高くなる
- 水以外の物質は、「固体＜液体＜＜気体」の順で体積が大きくなる
- 水(H2O)は、「液体(水)＜固体(氷)＜＜気体(水蒸気)」の順で体積が大きくなる
固体・液体・気体の違いやそれに関わるおもしろ話、知ってみたらとても面白かったです！
固体・液体・気体は私たちの身近なところでもたくさん溢れていますから、それぞれどのような状態なのか考えながら見てみると、楽しくなるかもしれませんね(^^)
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