固体・液体・気体の粒子
30 °Cの空気中の窒素分子は、秒速約519 mで、旅客機よりも速く動いています。
ドラッグで回転、スクロールまたはピンチで拡大・縮小。
コップに水を注ぐと、水は底にたまり、水面は平らになります。同じ水を沸騰させると、水蒸気が部屋中に広がります。水分子そのものは変わっていません。氷でも水でも水蒸気でも、H₂OはH₂Oです。変わるのは、分子どうしの距離、互いに引き合う強さ、動く速さです。このページの粒子モデルは、比べやすいように、どの状態でも同じ40個の粒子を描いています。
3つの状態の比較
| 状態 | 粒子 | 形と体積 |
|---|---|---|
| 固体 | 規則正しく詰まり、その場で振動する | 形も体積も一定。押してもほとんど縮まない |
| 液体 | 詰まっているが不規則。互いに滑り合う | 形は容器に従い、体積は一定。ほとんど縮まない |
| 気体 | 遠く離れ、まっすぐ飛ぶ | 容器いっぱいに広がる。押すと大きく縮む |
固体や液体の粒子はすでに接しているので、強く押してもそれ以上はあまり近づけません。油圧ジャッキが、油を縮めることなく油を通して力を伝えられるのはこのためです。気体では体積の大部分が分子の間のすき間なので、空気入れでタイヤに空気を押し込めます。分子間の力は、液体がしずくになり、固体が形を保つ理由も説明します。どちらでも、粒子どうしがまとまっていられるほど強く引き合っているのです。気体では粒子の動きが速すぎ、距離も離れすぎているので、その引力では粒子をつなぎ止められません。
水はふつうの規則に従いません
ほとんどの物質では、固体の方が液体より密度が大きいので、固体のかけらは自分の融解液に沈みます。水は違います。0 °Cの液体の水の密度は0.99987 g/cm³で、凍ると密度は約9%小さくなります（USGS）。氷は体積の大部分を水面下に沈めて浮きます。氷山の大部分が隠れているのはこのためです。氷の結晶では分子がすき間の多い並び方をしていて、液体の雑然とした並び方より場所をとります。液体の水自体は4 °Cで最も密度が大きく1.00000 g/cm³で、温度が上がると再び密度が小さくなり、100 °Cでは0.95865 g/cm³になります。
温度は粒子の運動です
セルシウス温度は水の凝固点を0としています。便利ですが、粒子とは関係ありません。ケルビンで表す温度（絶対温度）は、考えられる最も低い温度である絶対零度、−273.15 °Cから始まります。換算するには273.15を足します。25 °Cは298.15 Kです。この目盛りでは、粒子の平均運動エネルギーが温度に正比例します。そのため600 Kの気体は、同じ気体の300 Kのときの2倍の平均運動エネルギーを持ちます。
気体では、このエネルギーから速さが決まります。根平均二乗速度はu = √(3RT/M)です。Rは8.314 J/(mol K)、Tはケルビンで表した温度、Mはキログラム毎モルで表したモル質量です。30 °Cの窒素について、OpenStaxは√(3 × 8.314 × 303 ÷ 0.028) = 519 m/sと計算しています。同じ温度では、重い分子ほどゆっくり動きます。−23 °Cの酸素分子の平均は約441 m/sです。上の図の粒子は、目で追えるように数百万分の1の速さに落としてあります。
| ケルビン | °C + 273.15。0 Kが絶対零度 |
| 根平均二乗速度 | u = √(3RT/M)。Mはkg/molで表す |
| 氷の密度 | 液体の水より約9%小さいので、氷は浮く |
| 密度が最大の水 | 4 °Cで1.00000 g/cm³ |
- 25 °Cをケルビンに換算しましょう。
- 液体窒素の沸点は77.34 Kです（NIST）。°Cで表すといくらですか（小数第1位まで）？
- 気体を300 Kから600 Kに加熱すると、平均運動エネルギーはどうなりますか？
- 2倍になる
- 変わらない
- 4倍になる
- 303 KでのN₂分子（M = 0.028 kg/mol）の根平均二乗速度を、m/sの単位で整数まで求めましょう。
- 同じ温度で、平均してより速く動くのはどちらですか？
- N₂（28 g/mol）
- O₂（32 g/mol）
- 同じ速さ
- 空気はタイヤに押し込めるのに、水はほとんど押し縮められないのはなぜですか？
- 気体の分子は離れているが、液体の分子はすでに接しているから
- 水分子の方が重いから
- 空気は物質ではないから
- 0 °Cの水の密度は0.99987 g/cm³です。氷の密度はそれより約9%小さくなります。氷の密度を見積もりましょう（小数第2位まで）。
- 液体の水の密度が最大になるのは何°Cですか？
- 4 °C
- 0 °C
- 100 °C
- 粒子どうしが接しながら、互いに滑り合う状態はどれですか？
- 液体
- 固体
- 気体
- 粒子の結びつきが強い順に、状態を並べましょう。
- 分子そのものは変わりません。変わるのは距離、引き合う力、速さです。
- 氷は水より密度が約9%小さいので浮きます。水の密度は4 °Cで最大です。
- K = °C + 273.15。平均運動エネルギーはケルビンで表した温度Tに比例します（∝ T）。
- 気体分子の速さはu = √(3RT/M)。30 °CのN₂では約519 m/sです。
このコースの出典 (8)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 Phases and Classification of Matter (matter, three states, plasma, mass and weight, Moon 1/6, conservation of matter, sand and clouds)
- 9.2 gas laws (Boyle's law P1V1 = P2V2, syringe 15.0 mL 13.0 psi to 7.5 mL 26 psi, breathing, divers: every 33 ft of sea water adds 1 atm and halves the air volume at 33 ft, Amontons ~1700, Gay-Lussac ~1800, Charles, STP 273.15 K and 101.325 kPa, -273 °C absolute zero)
- 9.5 kinetic-molecular theory (average kinetic energy proportional to kelvin temperature, KEavg = 3/2 RT, urms = sqrt(3RT/M), N2 at 30 °C 519 m/s, O2 at -23 °C 441 m/s)
- 10.3 phase transitions (vapor pressure, normal boiling point at 1 atm = 101.3 kPa, Leadville 68 kPa about 90 °C, ΔHvap 44.01 kJ/mol at 25 °C and 40.67 kJ/mol at 100 °C, 1.5 L sweat 3600 kJ, ΔHfus 6.01 kJ/mol, ice at -12 °C staying at 0 °C while melting, CO2 sublimation 26.1 kJ/mol, frost is deposition, heating curve example 135 g ice -15 °C to steam 120 °C = 416 kJ with c ice 2.09, water 4.18, steam 1.86 J/g °C, burner turned up does not raise boiling temperature)
- NIST Chemistry WebBook phase change data (webbook.nist.gov: ethanol Tfus 159 K, Tboil 351.5 K; nitrogen Tfus 63.3 K, Tboil 77.34 K; oxygen Tfus 54.8 K, Tboil 90.2 K; mercury Tfus 234.31 K, Tboil 629.81 K; CO2 triple point 216.58 K at 5.185 bar, solid vapour-pressure equation Giauque and Egan 1937 giving 194.7 K at 1 atm)
- USGS Water Science School, Water Density (0.99987 g/cm³ at 0 °C, 1.00000 at 4 °C, 0.95865 at 100 °C; ice about 9% less dense)
- Britannica, Boyle's law (Robert Boyle 1662, air compressed by mercury; Edme Mariotte 1676)
- Boyle's 1662 table (48 spaces at 29 2/16 in, 12 spaces at 117 9/16 in of mercury) as reprinted in J. Appl. Physiol. 87 (1999) 1543.
確認日: 2026-10-17