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「固体/液体/気体」って何だろう?水分子シミュレーターで理解しよう![化学入門]

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本記事から水などの「物質の状態」について解説していきます!

本記事では「固体」「液体」「気体」について解説します!水は「氷」「水」「水蒸気」と形を変えますが、それは何なのかをシミュレーターを用いて解説していきます!

まずはその前提となる「温度」と「水素結合」について振り返り、各状態をシミュレーターで解説していきます!

「固体/液体/気体」って何だろう?水分子シミュレーターで理解しよう![化学入門]

前提1:温度によって、水分子の動きの激しさが変わる!

「温度」という概念は日常生活でも普通に使っていますよね。では、「温度とは何か?」と考えると、、、実は良く分からなかったりします。

その答えは「分子の動きの激しさ/速度」です。コチラについては物理の熱力学の記事で解説していますが、簡単に言うと↓のように空間上に分子があるときに、その分子の動くスピードや動きの激しさそのものこの「温度」なのです!

厳密にいうと難しいのですが、「温度が高い = 強く振動したり、素早く動き回ったりする」という感じで理解すればOKです!

前提2: 水分子は「水素結合」でお互いに引き寄せあったりしている!

2つ目の前提が、「水分子はお互いに引き寄せ合ったりしている」ということです。

これは前回の記事で解説していますが、簡単にいうと「水分子中でも↓のように酸素はマイナス、水素はプラスに電荷を帯びており、引き合う」という動きになります。

プラスとマイナスの部分が分子中にあるので、↓のように青部分と赤部分が互いに引き合う動きになります。

水分子以外でも、分子は互いに引き合う力が働きます。これこそが「物体の固体/液体という状態を作る力」なんです!

物質の状態1: 固体 = 水素結合等でガチガチに固まった状態

物質の温度が低い場合、分子は死んだように動かない状態になります。そうなると、水素結合やその他の力が強く働き、ガチガチに分子がくっついた状態になるんです。これこそが「固体」という状態なんです!

そして、この固体の状態は「分子が動いて出ていく力 < 互いの分子の結合力」の条件下で形成されます。

これをシミュレーターで確認してみましょう!

シミュレーターの説明
  • ↓は水分子が分子間結合で、氷(固体)の状態になっています
  • ↓のスライドバーで、設定温度を-100 ~ -1度まで変えられます
  • 温度が高くなるほど振動が強くなって動きだそうとすることを確認してみましょう!

温度
-100


 
 
↑のシミュレーターで分かるように、水分子は氷の状態では、キレイな形をとって結合しています。この結合は、互いの酸素原子と水素原子を引き合わせるような形でうまく連結したような形になります。

温度が高くなると、分子の振動が激しくなりますが、、、その分子間の結合力のほうが強いため、氷の状態が維持されるんですね。ただ0度になって限界になると、水(液体)に変化するわけです!

物質の状態2: 液体 = 完全な拘束状態からは抜け出したが、まだ分子間の力で引き寄せあっている状態

次に液体です。氷は0度になると、溶けて水になりますよね。これは「分子が動いて出ていく力 > 互いの分子の結合力」となり、その束縛から抜け出して動きだした状態と言えます!

ただ、完全に開放されたわけじゃないんです。水分子は互いに近いところをウロチョロと動き回れるようになりますが、互いの分子間で引き寄せ合う力が影響するので、完全に自由とはいえないような動きになります
ただ、温度が高くなるほど、分子の動きが速くなっていき、その影響度合いが低くなってきます。

これをシミュレーターで確認してみましょう!

シミュレーターの説明
  • ↓は水分子が液体(水)状態です
  • ↓のスライドバーで、設定温度を1 ~ 99度まで変えられます
  • 温度が高くなるほど分子が速くなっていくことを確認してみましょう!

温度
1


 
水分子は、束縛状態から開放された0度あたりではゆっくり動きますが、温度が上がると速く動くようになっていきます。これが100度になると、気体の状態に変化するわけです。

物質の状態3: 気体 = 互いの分子間の力から抜け出して、素早く動き回れる

次に気体です。水は100度になると、水蒸気に変わります。これは、「温度が高まって、水分子間の互いを結ぶ力から抜け出した状態」ともいえます。

液体状態では残っていた互いにくっつこうとする力から抜け出した、「自由な状態」になるわけです!完全ではないですが、力を受けない「等速運動」に近い動きになります!もちろん、温度が高まるとさらに高速に分子は動くようになります。

これをシミュレーターで確認してみましょう!

シミュレーターの説明
  • ↓は水分子が水蒸気となった状態です
  • ↓のスライドバーで、設定温度を101 ~ 200度まで変えられます
  • 温度が高くなるほど分子が高速に動くことを確認しましょう!

温度
101


 
水蒸気の状態になると、自由に動き回れるようになるわけですね!
つまり「水分子は、100度の状態でやっと自由な状態になる」ともいえるかと思います!

まとめ:物質の状態は「互いの分子の結合力」と「分子の動きだそうとする力」の兼ね合いで決まる!

今回は「固体」「液体」「気体」で、水分子という観点からみると、どのような動きをしているのかをシミュレーターを用いて解説しました!

固体は、温度が低く、ほとんど分子が動かない状態です。だからこそ、分子間の結合力でガチガチに固められるため、固形のように固まった状態になるわけです。

液体は、温度が高まり、ある程度は分子が動ける状態です。ただ、まだ互いに引っ張り合う力が働くので、完全に自由な動きにはならず、分子間で近い範囲を動き回るような動きになります。

気体になあると、その分子間の結合を振り払うほどの速度になるので、空気中に自由に飛び回れる状態になるわけです!

普段、なんとなく目にしている「氷」「水」「水蒸気」ですが、こんなように変化していっているんです!
次回は、「氷」「水」「水蒸気」間でどのように状態が変わるのかについて、説明していきます!
 

「固体/液体/気体」まとめ

  • 物質は固体/液体/気体の3つの状態がある
  • 固体/液体/気体のどの状態になるかは、分子間に働く力と温度による離れようとする力の兼ね合いで決まる
  • 固体は互いの分子が結合してる状態、液体はある程度分子が動けるようになった状態、気体は完全に自由に動き回れる状態といえる

 


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