物質の三態

物質の三態の説明でよく見るのが、固体はぎゅうぎゅう詰め、液体は少し動ける、気体は自由に動ける。　
というのがあるのですが、融点と沸点が一定になっているときの分子の状態がイメージできません。
融点で温度が連続的に変化しない理由を教えてください。

No.4 ベストアンサー 回答者： Zincer 回答日時： 2001/09/27 02:27

＞だんだん細かい話になるのですが、固体→液体では体積は余り変化しませんよね。

＞ということは液体も固体に負けないぐらいは、引っ張り合ってると思えるのです。

＞結合だけでなく、ぴっちり並べられていること自体になにかエネルギー的なものが、寄与してるような気がするのですが、これがえんとろぴーやら自由度につながっていくのでしょうか？

原子（あるいは分子）間の相互作用力の話になると思いますが、専門家ではないので詳しい値は知りませんが、その相互引力はそれほど変わっていないのではないでしょうか？一応補足しておきますが、体積変化は平均原子間距離の関数であるので、一義的に結合力と結びつけるのはかなり乱暴な論議になると思います。
ただ、外力に反応して、臨機応変に今まで結合？していた隣の原子と手を切り、他の原子と手を結ぶことが出来る自由さ（あるいはこの状態）になることにある程度のエネルギーを必要とし、これが融解熱（融解エンタルピー）として現れているものと思います。

Ｐ．Ｓ．
「自由度」と言う言葉は、「相律」という分野で重要な意味をもち、ここでいう「自由の程度」とは別ですので、あとで誤解を招くともとになるので使わない方がいいと思いますよ。

この回答へのお礼

ありがとうございました。
平均原子間距離が何の関数かを考えずに、体積変化に結ぶのは行き過ぎでした。

当初の最大の疑問である過冷却中の原子のイメージは、かなり良かったので満足していますので、締め切りたいと思います。

お礼日時：2001/10/03 23:52

No.3 回答者： Zincer 回答日時： 2001/09/21 01:33

>ただエネルギーの大きい液体状態なのに温度が同じってことが不思議に感じてしまいます。

そうですねー...ここまで来るとどうしても「エンタルピー（熱として現れない内部エネルギー？）」や「エントロピー（乱雑さor自由に動ける程度？：｛自由度｝と書くとまた別の意味があるのであえて避けておきます。）」の概念が必要になります。
ここからはイメージの世界で話をしますので理論的な背景は無視して聞いてください。
＞過冷却中の水の状態ってどういうものだろうと思ったからです。
１．穴の周りにちょっと出っ張りのあるたこ焼きを焼く鉄板を想像してください。
２．その穴にピンポン玉が入っている状態が固体です。
３．全体をゆする（加熱した状態）と、玉は穴から飛び出して自由に動けるようになります。【融解】（気体に近いイメージを持ちたいでしょうがあえて液体としてもらいます。）
４．徐々に運動を小さくしていきます。（冷却）
５．玉の運動も遅く（温度が低く）なりますが穴の周りの出っ張りに依って、すんなりとは穴に落ち着きません。
　この出っ張りが相変化（液体→固体）の活性化エネルギーで、この障壁のために運動は小さい（温度が低い）のに、穴に落ちない（固体になっていない）で周りを液体状態のように自由に動いている。これが過冷却時の液体の分子の状態です。この状態ですと、「どれかの玉が穴に落ち着いた時にそのエネルギーが他の玉に伝わり、その玉も障壁を超えて穴に落ち着く。」という事が連鎖反応的に起きて一瞬にして全体が固体になります。
こんなもんでいかがでしょう？
このイメージからいくと、「固体はぎゅうぎゅう詰め」というよりは、「（周りからの分子or原子によって）固定化されている。」といった表現の方が正しいかもしれませんね。現に水のように固体の方が体積が大きくなる例もありますし、ちょっと修正しておきます。

この回答へのお礼

ありがとうございます、すごくわかりやすいです。
たこ焼き鉄板のちょっと出っ張りをイメージしたら、かなり自然に感じることができました。

だんだん細かい話になるのですが、固体→液体では体積は余り変化しませんよね。
ということは液体も固体に負けないぐらいは、引っ張り合ってると思えるのです。

結合だけでなく、ぴっちり並べられていること自体になにかエネルギー的なものが、寄与してるような気がするのですが、これがえんとろぴーやら自由度につながっていくのでしょうか？

お礼日時：2001/09/23 00:25

No.2 回答者： Zincer 回答日時： 2001/09/18 01:31

>物質の三態の説明でよく見るのが、固体はぎゅうぎゅう詰め、液体は少し動ける、気体は自由に動ける。

ここまでイメージできるのでしたら、話は早い！
＞融点と沸点が一定になっているとき
と、ありますが要するに「融点及び沸点で温度が一定の時」の分子の状態ですよね？
同じ温度でも０℃の氷（固体）と水（液体）とでは液体状態の分子の方が持っているエネルギーが大きいことは理解できるんですよね？要するにここで加えられた(熱)エネルギーはこの分子のエネルギーの増加に消費され、温度は（平衡状態では）上昇しません。この時の「分子のイメージ」と言う事ですが、固体状態と液体状態の分子が共存しているだけでそれぞれの分子の状態は（どちらか一方が存在している時と）変わりません。ただ、加熱によってエネルギーの大きい液体状態の分子の割合が増えているだけです。（冷却の時は逆）
以上の説明で「温度が一定になる」理由も理解していただけますでしょうか？

この回答への補足

私がこの質問を作った理由は、過冷却中の水の状態ってどういうものだろうと思ったからです。
たぶん、これを理解するには、固体って何？　液体って何？　温度って何？
ということを考えなければならないのかなぁと思いました。
それを考える例として固ー液の状態変化を取り上げてみました。

補足日時：2001/09/20 00:28

この回答へのお礼

Zincerさん回答ありがとうございます
最初から分子の動きを意識して考えていたのですが、固体と液体の中間の状態を思いつかなくて行き詰まっていました。
平衡状態を考えると温度が一定というのが納得いきました。

ただエネルギーの大きい液体状態なのに温度が同じってことが不思議に感じてしまいます。

お礼日時：2001/09/20 00:27

No.1 回答者： miDumo 回答日時： 2001/09/17 21:04

＞融点で温度が連続的に変化しない理由を教えてください。

まず融点とは
　・個体→液体
へと形態が変化し始める時の『個体』の温度ですネ。



上の文をよく理解すれば『融点で温度が連続的に変化しない理由』は、

　　・融点を超えて温度が上がっていく分子は個体ではなく液体になる。

からであるとわかります。


つまり水で説明すると、通常の環境で０度が融点です。

氷に熱を加えても、個体の温度がが０度以上にならない理由は、
０度を超えて熱を持ったH2O分子は水に形態を変え、氷に加えられた熱は、次々と氷を溶かし水へとその熱エネルギーを伝えていくためであると説明されます。

＜まとめ＞
液化とは個体の分子結合を解くことであり、結合を解くには一定のエネルギーが必要です。しかし、一定以上のエネルギーを加えられても融点以上に熱エネルギー（分子の振動）を蓄積できない（振動のため結合が切れる）ため個体の温度は溶けきるまで一定なのです。（溶けている間個体に加えられたエネルギーは、液化のため使われたり、液体に吸収され液体の温度は上がり続けます）　　

この回答へのお礼

返答ありがとうございます、
固体と液体の違いは振動で分子結合が解けることにあるんですね
ここで疑問は
＞溶けている間個体に加えられたエネルギーは、液化のため使われたり、液体に吸収され液体の温度は上がり続けます

温度が上がったら温度は一定にならないのではと思ってしまいました。

お礼日時：2001/09/19 23:39