物質の状態変化

物質の三態

物質は温度や圧力に応じて、固体・液体・気体の 3 つの状態のあいだで変化します。この 3 つの状態を物質の三態といいます。

水を例とすると、固体が氷、液体が水、気体が水蒸気です。

固体から液体への状態変化は融解といい、融解する温度を融点といいます。例えば、氷（水の固体）が融解して水となります。このとき氷の融点は 0 ℃ です。

液体から気体への状態変化は蒸発といい、沸騰して蒸発する温度を沸点といいます。

注意点として、液体は沸騰していなくても表面から蒸発し、少しずつ気体となっています。これに対し沸騰とは、液体の内部からも物質が気体となって蒸発が起こる現象です。

水は室温でも蒸発して水蒸気（気体の水）になっていますが、加熱して沸点の 100 ℃ になると、液体である水の内部からも水蒸気の泡が発生して、速く蒸発するようになります。

気体から液体への状態変化は凝縮といいます。

水蒸気は凝縮すると水になります。寒い季節にお湯を沸かすと、冷たい窓に水滴がつきます。これは水蒸気が冷やされて凝縮して、水になったためです。

液体から固体への状態変化は凝固といい、凝固する温度を凝固点といいます。

水は冷やすと凝固点の 0 ℃ で氷（固体の水）になります。

固体から気体へ、または気体から固体への状態変化は昇華といいます。

昇華する物質の例には、ドライアイス（二酸化炭素でできた結晶）、ヨウ素、ナフタレンなどがあります。

ヨウ素が昇華する性質は、混合物中から純物資としてヨウ素を取り出すときに利用されます。これは昇華法と呼ばれます。

ナフタレンは防虫剤として用いられています。固体の防虫剤が時間の経過とともに小さくなることで、ナフタレンが固体から気体に昇華していることがわかります。

温度と状態変化の関係

物質を冷却したり加熱したりすると、状態はどう変化するのでしょうか。水が加熱される状態を表現した図で確認します。

はじめの A 点では、水は固体の状態で、氷です。

A 点から B 点のあいだは氷を加熱していて、水は固体として存在します。

B 点で融点に達し、氷は融解しはじめます。

B 点から C 点のあいだは、氷が融解し続けています。融解を続けるあいだは温度は変わりません。氷と水（固体と液体）が存在します。

C 点ですべての氷が融解して、水（液体）だけになりました。

C 点から D 点のあいだは、水（液体）が加熱されています。液面から水蒸気（気体）が少しずつ蒸発しています。

D 点で沸点に到達し、水は沸騰を始めます。

D 点から E 点のあいだは、水（液体）が沸騰して水蒸気（気体）が生じています。液体の水が残っているあいだは温度は変わりません。

E 点ですべての水が気体となります。

E 点から F 点のあいだは、すべて水蒸気（気体）となっています。

物理変化と化学変化

物質は変わらずに状態などが変わることを物理変化、物質そのものが変化することを化学変化といいます。

物理変化

物理変化では、物質そのものは変化しません。水は氷や水蒸気に変化しますが、これは液体が固体や気体に変わっただけで、水そのものは変わりません。

水も氷も水蒸気も、物質をつくっている粒子（分子）は H₂O と表されます。状態が変化しても物質は変化していません。

食塩を水に溶かして食塩水にする変化も、物理変化です。

食塩が水の中に溶け込んだだけで、食塩という物質は変化していません。水を蒸発させると、食塩の結晶が再び得られます。

化学変化

物質そのものが変わるとき、これを化学変化といいます。

例えば、水を電気分解すると水素と酸素が発生するという実験があります。この実験では、水の分子が水素の分子や酸素の分子に変化します。

水 H₂O が水素 H₂ や酸素 O₂ になっているので、物質そのものが変化したことがわかります。

物質が燃焼することも化学変化です。

水素と酸素が燃焼して水になる変化は、物質が変化するので化学変化です。

問題演習

確認テスト1

次の状態変化を何といいますか。

1. 冷凍庫から出したアイスクリームが融けた。
2. 真冬に窓ガラスに水滴がついた。
3. 保冷剤のドライアイスが小さくなった。
4. 水を 253 K の状態に保ったら凍った。
5. ストーブの上にやかんを放置したら水蒸気が出てきた。
6. ヨウ素と砂粒が混ざっている。ヨウ素を分離するため、この混合物を加熱した。

確認テスト2

次の変化は物理変化と化学変化のどちらですか。

1. 鉄くぎを湿った場所に置いていたら、表面が赤くさびた。
2. クローゼットに防虫剤のナフタレンを置いたら、3か月後に小さくなった。
3. 落ち葉を集めて焚火をしたら、煙が上がった。
4. 水を電気分解した。

実践問題1（2015本第1問問3）

図 1 は物質の三態の間の状態変化を示したものである。a ～ c に当てはまる用語の組合せとして最も適当なものを、下の①～⑥のうちから一つ選べ。

（2015年度センター試験　本試験　化学基礎　第1問問3　より引用）

実践問題2（2019追第1問問6）

次の現象に関する記述のうち、下線部が化学変化によるものはどれか。最も適当なものを、次の①～④のうちから一つ選べ。

①　氷砂糖を水のなかに入れておくと、氷砂糖が小さくなった。

②　やかんで水を加熱して沸騰させると、湯気が出た。

③　ドライアイスを室温で放置すると、ドライアイスが小さくなった。

④　貝殻を希塩酸のなかに入れておくと、貝殻が小さくなった。

（2019年度センター試験　追試験　化学基礎　第1問問6　より引用）

実践問題3（2017本第1問問5）

1 種類の分子のみからなる物質の大気圧下での三態に関する記述として誤りを含むものを、次の①～⑤のうちから一つ選べ。

①　気体の状態より液体の状態のほうが分子間の平均距離は短い。

②　液体中の分子は熱運動によって相互の位置を変えている。

③　大気圧が変わっても沸点は変化しない。

④　固体を加熱すると、液体を経ないで直接気体に変化するものがある。

⑤　液体の表面では常に蒸発が起こっている。

（2017年度センター試験　本試験　化学基礎　第1問問5　より引用）