学習目標
- 融解、凍結、昇華を定義することができる。
周囲の状況に応じて、通常の物質は通常、固体、液体、気体の3相のうちの1つとして存在します。
相変化とは、物質がある相から別の相になる物理プロセスのことをいいます。 通常、物質の融点または沸点として知られる特定の温度で熱を加えたり取り除いたりすると変化が起こる。 融点とは、物質が固体から液体になる（または液体から固体になる）温度である。 沸点は、物質が液体から気体になる（または気体から液体になる）温度である。 相変化の性質は、熱伝導の方向によって決まります。 物質中に熱が入ると、固体が液体に、または液体が気体に変化する。 物質から熱を奪うと、気体が液体に、または液体が固体に変化する。
二つの重要なポイントを強調する価値がある。 まず、物質の融点や沸点では、2つの相が同時に存在することがある。 水(H2O)を例にとってみよう。 H2Oは摂氏温度でいうと、融点が0℃、沸点が100℃である。 0℃では、H2Oは固体と液体の両方の相を共存させることができる。 しかし、熱を加えると固体のH2Oの一部が溶けて液体のH2Oになる。 熱を取り除くと、逆に液体のH2Oの一部が固体のH2Oに変化する。 100℃でも同じように、熱を加えると気体のH2Oが増え、熱を除くと液体のH2Oが増える（図(Ⅻ)）
次に、物質がある相から別の相になっても、温度は変わりません。 つまり、相変化は等温的である（等温とは「温度が一定」という意味）。 再び、H2Oを例にとって考えてみよう。 固体の水（氷）は0℃でも存在することができます。 0℃の氷に熱を加えると、固体の一部が相変化して液体になり、これも0℃になります。 H2Oは0℃で固相と液相が共存できることを覚えておいてください。
物質の相変化には、物質1グラム（または1モル）あたりの相変化に必要な熱量に特徴がある。 融解熱（ΔHfus）は融点で起こる相変化に必要なグラム当たり（またはモル当たり）の熱量である。 気化熱（ΔHvap）は、沸点で起こる相変化に必要なグラム当たり（またはモル当たり）の熱量です。 物質の総グラム数またはモル数がわかっていれば、ΔHfusまたはΔHvapを用いて、これらの式から融解または凝固のために伝達される総熱量を求めることができる。
where \(n\) is the number of moles and \(ΔH_{fus}) is representing in energy/mole or
where \(m m) is the mass in grams and \(ΔH_{fus}) is representing in energy/grams.
沸騰や凝縮の場合は、これらの式を使う。
where \(n} is the number of moles) and \(ΔH_{vap}) is representing in energy/mole or
where \(m} is the mass in grams and \(ΔH_{vap}) is representing in energy/grams.The式は、モル数(n)(δH{vap}δは、質量/gam)とエネルギー（δH{vap}δは、エネルギー/gam)を表しています。
相変化は熱の移動の方向に依存することを忘れてはならない。 熱が伝われば固体は液体になり、液体は融点と沸点でそれぞれ固体になる。
例題
0℃の氷（固体H2O）55.8gを溶かすのに必要な熱量はどのくらいか？ H2Oの融解熱は79.9cal/gです。
解答
熱と融解熱の関係（式(1)）を使って、この氷を溶かすのに何ジュールの熱が必要なのかが分かります：
& = (55.8: \cancel{g})\left(\dfrac{79.9: cal}{cancel{g}}right)=4,460↩[
練習問題
100℃でH2O685gを気化するにはどれくらいの熱が必要でしょうか？ H2Oの気化熱は540cal/gです。
表 ㋑に一般的な物質の融解熱と気化熱を示します。 これらの量の単位に注意してください。問題解決でこれらの値を使うときは、計算の他の変数が比熱や融解熱、気化熱の単位と一致する単位で表現されていることを確認してください。
| Substance | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) | ||
|---|---|---|---|---|
| aluminum (Al) | 94.1 | Substance (Ol) (cal/g)0 | 2,602 | |
| 金（Au） | 15.3 | |||
| 鉄（Fe） | 63.3 | 14.0 14.0 | 14.02 | 1,504 |
| 水（H2O） | 79.9 | 540 | ||
| 塩化ナトリウム（NaCl） | 123.3 | 1000 | ||
| 1000 | 250 350 | 691 | ||
| エタノール (C2H5OH) | 45.2 | 200.3 | ||
| ベンゼン (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Looking Closer.の項参照。 昇華
また、固体が直接気体になる相変化もあります：
アルゼンチン
この相変化を昇華と呼びます。 各物質はこのプロセスに関連した特徴的な昇華熱を持っています。 例えば、H2Oの昇華熱（ΔHsub）は620cal/gです。
私たちはいくつかの方法で昇華に遭遇します。 ドライアイスはご存じでしょうが、これは単に固体の二酸化炭素（CO2）です。 固体の二酸化炭素は-78.5℃（-109°F）で昇華し、固相から気相に直接変化する：
固体の二酸化炭素は液相を経由しないのでドライアイスと呼ばれる。 その代わり、直接気相になる。 (ドライアイスは、医療用サンプルの長期保存など、実用的な用途が多い。 たとえば、地面に積もった薄い雪や霜は、外気温が水の凝固点以下であっても、固体のH2Oが昇華して徐々に消えていくことがあります。 同様に、冷凍庫の中の氷も、時間とともに小さくなっていく。 凍っているにもかかわらず、固体の水はゆっくりと昇華し、冷凍庫の冷たい冷却材に再付着するため、定期的な霜取りが必要になります（無霜冷凍庫は再付着を最小限に抑えることができます）。
同様の状況下で、冷凍食品（肉や野菜など）からも水分が昇華し、フリーザーバーンと呼ばれる見苦しい斑点状の外観を呈するようになります。 見た目はおいしそうに見えませんが、実は「焦げ」ではなく、食品が腐っているわけではありません。 冷凍焼けは、冷凍庫の温度を下げたり、食品をしっかり包んで水分が昇華する隙間がないようにすることで最小限に抑えることができます。
融点
固体は、気体よりもはるかに近い粒子同士の凝縮状態である点で液体に似ています。 しかし、液体が流動的であるのに対して、固体はそうではありません。 ほとんどの固体の粒子は、規則正しい配列でぎっしりと詰まっている。 固体中の個々の原子、イオン、分子の運動は、固定点を中心とした振動運動に限定される。 固体はほとんど非圧縮性であり、物質の3つの状態の中で最も密である。
固体が加熱されると、固体が運動エネルギーを吸収するにつれて、その粒子はより急速に振動するようになる。 最終的には、固体構造内の粒子の組織が壊れ始め、固体は溶け始める。 融点とは、固体が液体に変化する温度である。 融点では、固体の粒子の破壊的な振動が、固体内で働く引力に打ち勝つ。 沸点と同様に、固体の融点はそれらの引力の強さに依存する。 塩化ナトリウムは多数の強いイオン結合からなるイオン性化合物です。 塩化ナトリウムの溶融温度は801℃。 氷（固体）は、水素結合で結ばれた分子で構成される化合物である。 水素結合は分子間力の中で最も強い力ですが、その強さはイオン結合に比べるとはるかに小さいです。 氷の融点は \(0^text{o} ⇄)である。 その温度では、物質の固体状態と液体状態は平衡状態にある。 水の場合、この平衡が起こるのは୧⃛(๑⃙⃘◡̈๑⃙⃘)୨⃛室温で固体である物質と考えがちであるが、固体は液体の凝固点と同じである。 しかし、どんな物質にも何らかの融点がある。 気体は極低温で固体になりますし、液体も十分に低温になれば固体になります。 下の表は、一般的な物質の融点です。 一般的な物質の融点
演習 ୧(୧ˊᗜˋ*)୨୧(୧ˊᗜˋ*)୨୧ (୧ˊᗜˋ*)୨୧ (୧ˊᵕˋ)୧ (୧ˊᵕˋ*) (❁ᵕˋ* )♡⃛⃛⃛⃛⃛━➖︎.
Answer a
エネルギーは温度ではなく、相を変えるために使われます
熱量は物質グラムあたり一定値です。
まとめ
- どんな相変化にもエネルギー変化が伴います。
- 沈殿は気体から固体への状態変化である。
- 二酸化炭素は昇華しやすい物質の例である。
- 融点は固体が液体に変化する温度である。
- 融点には分子間力が強く影響します。
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