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物質の三態変化(融解・凝固・蒸発・凝縮・昇華)と状態図

物質は固体、液体、気体という三つの状態をとります。これらをまとめて三態といいます。態は状態の「態」です。

三態変化とは、固体から液体、液体から気体というふうに、物質の状態が変わることです。

固体から液体になることを融解といいます。以下、各状態から別の状態になるときの言葉をおさらいしてみましょう。

物質の三態

変化 言葉
固体→液体 融解
液体→固体 凝固
液体→気体 蒸発
気体→液体 凝縮
固体↔気体 昇華

水の三態

固体の水は氷といいます。

氷の写真

氷が融けると水になります。氷が「とける」は漢字で「融ける」と書きますが、「溶ける」と書いてもOKです。

水の温度がさらに上がると水蒸気になります。やかんの水を熱していくと、白い湯気が出てきます。湯気がどんどん出てきたら、その水は100℃に近づきますが、湯気そのものは水蒸気ではありません。

氷の写真

湯気は液体だからこそ白く見えます。水蒸気は無色の気体です。

沸騰する直前のやかんをよく見ると、湯気が口から少し離れてモクモクとたっています。口の中から白い湯気が出ているわけではないということです。無色の水蒸気が口から出て、その水蒸気が空気に接して急に冷えることで、液体の湯気になります。

状態図

一般的な物質は温度を上げていくと固体、液体、気体の順に変化しますが、実際は物質がある空間の圧力に依存します。

例えば水も、よく0℃で氷から水にとけると考えられていますが、これは私たちが生きている空間での話。もっと圧力を上げていくと、0℃でも液体のままです。

ポイント
物質の三態は温度と圧力の二つで決まる。

この温度、この圧力のとき、物質は固体なのか、液体なのか、気体なのか? そうした疑問に答える図が、横軸を温度、縦軸を圧力とした状態図です。

状態図

状態図は物質の三態を表す、とても大切な図です。特に上の「水の状態図」は教科書や資料集などで必ず確認しましょう。左上が固体、右上が液体です。下が気体。この位置関係を間違えないようにします。

固体と液体と気体の境界を見てください。状態図の境界にある点は、その温度と圧力において物質は同時に二つの状態を持つことができます。水も0℃では水と氷の二つの状態を持ちます。100℃でも水と水蒸気の二つの状態を持ちます。

この二つの状態を持つことができる条件というものは状態図の境界線を見るとわかるのです。

ここで三つの境界線がすべて交わっている点を三重点といいます。これは物質に固有の点であり、実は℃といった温度の単位は、水の三重点の温度を基準に作られています。

臨界点

水の状態図で、右上の液体と気体を分ける境界線は、永遠に右上に伸びていくわけではなく、臨界点という点で止まってしまいます。

臨界点では、それ以上に温度を上げても液体の状態を維持することができません。これは高校化学の範囲を超えてしまいますが、固体・液体・気体という物質の三態と異なる、特殊な状態があることは頭に入れておきましょう。