物質とは何か
月面の宇宙飛行士の重さは地球上の6分の1になりますが、質量はまったく変わりません。
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化学では、物質を短い一文で定義します。空間を占め、質量を持つものすべてです。れんがは物質で、コップの水も物質です。空気も、目には見えませんが物質です。風船に息を吹き込むと膨らむのは、押し込んだ空気が場所を必要とするからです。光、音、熱は物質ではありません。エネルギーを運びますが、それ自体の質量はなく、容器を満たすこともありません。
質量と重さは違います
質量は、物体に含まれる物質の量を表します。てんびんで基準の分銅と比べたり、物体を加速させるのにどれだけの力が必要かを調べたりして求めます。自動車は自転車よりはるかに強く押す必要があります。重さは、その質量に働く重力の大きさです。質量に比例しますが、場所によって変わります。月の重力は地球の約6分の1なので、宇宙飛行士の重さも約6分の1になります。しかし、その人自身の量である質量はまったく同じです。軌道上では無重量状態に感じられることがあっても、質量がなくなることはありません。
身近な3つの状態
地球上では、物質はふつう3つの状態のどれかで見られます。固体は硬く、自分の形を保ちます。スプーンは引き出しの中でもコップの中でもスプーンの形のままです。液体は流れて容器の形になりますが、重力によって上の面は平らになります。軌道上では水と宇宙船が一緒に自由落下しているので、平らに引っ張るものがなく、水の塊は自分で球になります。気体は容器全体に広がり、容器の形と体積の両方をとります。固体や液体を押し縮めても体積はほとんど変わりませんが、気体は大きく縮みます。
地球上ではまれでも、宇宙ではありふれた4つ目の状態もあります。プラズマは、多くの粒子が電荷を帯びた気体です。恒星はプラズマでできていて、雷、プラズマ切断機、一部の古いテレビ画面でも見られます。複数の状態にまたがって見えるものもあります。砂は液体のように流れますが、1粒1粒は固体です。雲は気体のように漂いますが、実際は空気に小さな水滴や氷の粒が混ざったものです。
状態が変わっても物質は失われません
氷がとけたり水が沸騰したりしても、物質が現れたり消えたりはしません。状態変化でも化学反応でも、物質の総量は変わりません。これが質量保存の法則です。日常生活では生成物の一部が気体として逃げることが多いので分かりにくいのですが、密閉した容器なら、てんびんの値は変わりません。やかんの水は沸騰すると減るように見えますが、水蒸気として台所に広がっているだけです。
このコースのモデルは、これらすべてを粒子で説明します。粒子とは、常に運動している原子や分子です。固体では粒子は決まった位置に固定され、振動することしかできません。液体では粒子どうしは接していますが、互いに滑り合います。気体では粒子どうしは遠く離れ、何かにぶつかるまでまっすぐ飛びます。温度は粒子の速さを表します。分子運動論はこれを正確に述べています。粒子の平均運動エネルギーは、ケルビンで測った温度に比例します。
| 物質 | 空間を占め、質量を持つものすべて |
| 質量 | 物質の量。地球上でも月面でも同じ |
| 重さ | 質量に働く重力 |
| プラズマ | 電荷を帯びた粒子を多く含む気体。恒星や雷に見られる |
| 質量保存の法則 | 状態変化や反応で物質の総量は変わらない |
- 次のうち、物質でないものはどれですか？
- 電灯の光
- タイヤの中の空気
- やかんから出る水蒸気
- 地球上での重さが600 Nの宇宙飛行士がいます。重力が6分の1の月面では、重さはおよそいくらですか？
- 月面で、宇宙飛行士の質量はどうなりますか？
- 変わらない
- 6分の1になる
- ゼロになる
- 容器の形と体積の両方をとる状態はどれですか？
- 気体
- 液体
- 固体
- 軌道上で水の塊が球になるのはなぜですか？
- 自由落下している間は、上面の平らな水たまりへ引っ張るものがないから
- 凍るから
- 気圧で押し固められて球になるから
- プラズマの例はどれですか？
- 落雷
- 雲
- 袋から流れ出る砂
- 雲とは何ですか？
- 小さな水滴や氷の粒が混ざった空気
- 純粋な水蒸気
- プラズマ
- 氷50.0 gを入れて密閉した瓶の質量を量り、氷がとけるまで置いておきます。中の水の質量は何gですか？
- 粒子が決まった位置に固定され、振動しかしない状態はどれですか？
- 固体
- 液体
- 気体
- 粒子の平均運動エネルギーは何に比例しますか？
- ケルビンで表した温度
- セルシウス度で表した温度
- 容器の質量
- 物質は空間を占め、質量を持ちます。
- 質量は物質の量です。重さは重力による力で、場所によって変わります。
- 固体：形は一定。液体：体積は一定で、形は容器に従う。気体：容器いっぱいに広がる。
- 物質は、状態変化や反応を通じて保存されます。
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