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多くの文脈では、「物質の相」と「物質の状態」という用語は、同義語であるかのように交換可能に使用されます。相変化、状態変化についても同様である。ただし、これらの用語がまったく同じではない微妙な違いがあります。
次に、これらの違いを調べて、相について話しているときと物質の状態について話しているときを明確に区別する方法を学びます。
物質の状態は何ですか？
物質の状態 とは、物質を構成する粒子が追加または結合されるさまざまな方法です。このため、物質の凝集状態とも呼ばれます。これらの状態は本質的に、物質の構造内に存在する粒子の移動度に基づいて定義されます。
この意味で、同じ物質は一般に次の 4 つの状態を見つけることができます。
- ソリッドステート:定義された形状とボリュームを持つボディによって形成されることを特徴としています。固体状態では、すべての粒子は固定された位置に閉じ込められており、移動の自由はほとんどありません。これにより、ソリッドに明確な体積と明確な形状の両方が与えられます。
- 液体状態:液体では、物質を構成する粒子は互いに非常に接近していますが、それらの結合は緩いため、粒子がある場所から別の場所に比較的自由に流れたり滑ったりすることができます。このため、液体には定義された体積がありますが、定義された形状ではなく、それらを含む容器の形状を取得します。
- 気体状態:この状態では、粒子は本質的に互いに分離しており、互いにほとんど相互作用していません。気体状態の物質は、密度が非常に低く、定義された形状や体積を持たないという特徴があります。
- プラズマ:プラズマは、ガスを非常に高温に加熱することによって形成される、自由電子と陽イオン (陽イオン) の混合ガスです。これらの温度は非常に高いため、互いに衝突すると、原子は文字通り電子を互いに引き裂きます。星の物質は、ほとんどの場合、プラズマ状態にあります。
多くの物質はこれらの状態のいずれかで存在できますが、他の物質はそうではありません。水は、固体、液体、気体の状態で存在する物質の典型的な例であり、比較的通常の条件下で同時に存在することもあります。一方、スクロースや一般的なテーブル シュガーは固体の状態で存在することができ (通常見られるように)、キャラメルを作るときのように、それを溶かして液体にすることもできます。しかし、溶融したショ糖を加熱し続けると、通常は気体にならず、気体になる前に分解または炭化します。
これらの一般的な状態に加えて、温度と圧力の非常に極端な条件下でのみ存在する、あまり一般的ではない状態が他にもあります。たとえば、絶対零度に非常に近い極低温でのみ形成されるボーズ・アインシュタイン凝縮体があります。星が死んだ後に形成される中性子星や、非常に高いエネルギー条件下でのみ形成されるクォークグルーオン プラズマなど、非常に高密度の条件下で存在する物質の縮退状態。
物質の状態に影響を与える要因
特定の物質が固体、液体、または気体のいずれの形態であるかは、その粒子を一緒に保持しようとする力と、それらを分離しようとする力との間の競合に依存します。粒子間に存在する相互作用の力、または凝集力は粒子を結合する傾向がありますが、熱振動はそれらを分離する傾向があります。一方、高圧は粒子を互いに近づける傾向があり、粒子間の相互作用を促進し、それらを凝縮する傾向があります。
物質の相は何ですか?
フェーズの概念は、状態の概念とは異なります。物理学と化学では、物質の相とは、物質の一部、または物理的および化学的特性が均一または均一であるシステム内のゾーンまたは領域を指します。
これは状態と似た概念のように思えるかもしれません。物理的な状態の物質も単一の相の形をとっている場合があるからです。これは、例えば水の場合に起こります。水蒸気は本質的に均一であるため、気体状態の水、つまり水蒸気は同時に相でもあります。液体の水や氷についても同じことが言えます。これらの場合、水の気相について話すことは、基本的に気体状態の水について話すことと同じです。
しかし、同じ状態でも異なる形で存在できる物質は他にもあります。例としては、酸化ケイ素またはシリカが挙げられます。これらは、さまざまな相で存在できますが、それらはすべて固体状態です。温度と圧力の条件に応じて、シリカは石英-a、石英-β、クリストバライト、トリジマイト、コーサイトなどとして存在できます。これらの各相はすべて固体状態であり、それぞれが特定の構造と他の相とは異なる物理化学的特性を持っています。
多成分系の相
物質の相と状態は、純粋な物質または単一のコンポーネントで構成されるシステムの場合に理解しやすいです。しかし、さまざまなコンポーネントを混合して 2 進法、3 進法、およびより複雑なシステムを形成すると、物質の予期しない動作が発生する可能性があります。
これらの場合、系の組成および異なる成分が見出される比率に応じて、多数の異なる相が形成され得る。合金は、これらの複雑なシステムの明確な例であり、金属を混合することで根本的に異なる特性を得ることができます.
相の概念は、油と水などの混和しない液体の混合物を記述するのにも非常に役立ちます。全体として、システムは液体状態にありますが、2 つの異なる相があることは明らかで、1 つは水相の上に浮かぶ油によって形成されます。この場合、油性または有機の「状態」と水性の「状態」について話すことは意味がありませんが、油性または有機相と水相について話すことは意味があることに注意してください。
物質の状態と相の違いのまとめ
物質の状態は、それを構成する粒子の移動度に基づいて定義されます。代わりに、物質の相は物質の物理的および化学的特性の観点から定義され、いくつかの異なる相が同じ組成で同じ凝集状態にありますが、異なる特性を持っています。
一方、物質の状態は、固体、液体、気体、プラズマ、および極限状態に存在する他のよりエキゾチックな状態である可能性があります。一方、いくつかの液相と気相、および複数の固相が同じシステムに共存できます。これは、物質の状態の概念が、物質の相よりも一般的であるか、具体的でない概念であることを示しています。
参考文献
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