物質の相図(状態図)と物質の三態の関係 水の状態図の見方 蒸発・凝縮・融解・凝固・昇華・凝結とは? 三重点と臨界点とは?

物質の相図(状態図)と物質の三態の関係 水の状態図の見方 蒸発・凝縮・融解・凝固・昇華・凝結とは? 三重点と臨界点とは?

 

当サイトではリチウムイオン電池や燃料電池などの電気的なデバイスやその研究に関する各種学術知識(電気化学など)を解説しています。

 

例えば、燃料電池であったら固体高分子形燃料電池(PEFC)や固体酸化物系燃料電池(SOFC)が主流です。

 

中でも、PEFCは「生成物が水と熱だけ」という非常にクリーンな装置として、ますます着目されています。そのため、反応に関与する物質である水の基礎的な性質について知っておくといいです。

 

水に関する知識として覚えておくべきものに、水の相図(状態図)や三態との関係があります。ここでは、水の相図や三態に関する内容について解説していきます。

 

・相図(状態図)と物質の三態の関係 水の相図の見方

 

・蒸発と凝縮 沸点とは?

 

・融解と凝固 融点とは?

 

・昇華と凝結 昇華の反対は?

 

・三重点・臨界点とは?超臨界状態とは?

 

というテーマで解説していきます。

 

 

相図(状態図)と物質の三態の関係 水の相図の見方 

 

物質の三態と温度・圧力の関係を表したグラフのことを相図もしくは状態図と呼びます。

 

身近な物質である水の相図(状態図)を例に物質変化との関係を確認していきます。水の相図は以下の通りです。
(後程解説しますが、水は身近に存在するため普通の一般的なのように考えられがちですが、実は水は特殊な物質です。そのため、相図も水は特有の形をしています)

 

 

たとえば、y軸の圧力1atmに着目してみましょう。

 

温度が-10℃程度では固体の状態であり、温度が0℃付近を超えると液体になり、さらに100℃を超えると気体になるのです。

 

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蒸発と凝縮 沸点とは?

 
物質が液体から気体になる反応のことを「蒸発」と呼びます。逆に、気体から液体になることを「凝縮」と呼びます。

 

 

蒸発もしくは凝縮している間は気体と液体が共存しており、このとき温度は一定となります。

 

状態変化は徐々に進んでいるが温度が一定であるときにかかっているエネルギーのことを潜熱と呼びます。蒸発に関わる潜熱であったら蒸発潜熱といいます。

 

一方で、温度変化はしているが状態が一定である系に与えられてるエネルギーを顕熱と呼び、区別されます。

 

蒸発・凝固が起こる温度のことを沸点と呼び、水の場合常圧では100℃付近となります

 

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融解と凝固 融点とは?

 

物質が固体から液体になる反応のことを「融解」と呼びます。逆に、液体から固体になることを「凝固」と呼びます。

 

 

融解もしくは凝固が起こっているときは液体と固体が共存しており、蒸発などと同様に温度は一定となります。

 

状態変化は徐々に進んでいるが温度が一定であるときにかかっているエネルギーのことを潜熱と呼びます。蒸発に関わる潜熱であったら蒸発潜熱といいます。

 

一方で、温度変化はしているが状態が一定である系に与えられてるエネルギーを顕熱と呼び、区別されます。

 

融解・凝固が起こる温度のことを融点と呼び、水の場合常圧では0℃付近となります

 

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ギブスの相律

 

昇華と凝結 昇華の反対は?

 

物質が固体から直接気体になる現象のことを「昇華」と呼びます。逆に、液体から固体になることも「昇華もしくは凝結」と呼びます。両方共の変化を昇華とよぶことに気を付けましょう。

 

 

基本的には昇華は、温度が低い状態で急激な圧力変化が起こることで発生します。

 

ただ、ドライアイスのように昇華性が高い物質では、常温下であっても昇華するものもあります。

 

(昇華性物質についてはこちらで解説しています)

 

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三重点・臨界点とは?超臨界状態とは?

 

固体・液体・気体との境目にある曲線のすべてが交わる部分のことを三重点と呼びます。

 

三重点では、固体・液体・気体のすべてが存在しています。ギブスの相律を考えると、1成分における三重点では自由度が0となります。

 


また、温度と圧力が高い状態である臨界点を超えると、超臨界流体とよばれる状態になります。

 

超臨界流体では、気体と液体が見分けられないような状態となっており、常温下では見られないような特殊な物性を示します。

 

例えば、水の超臨界流体では非常に腐食性が高く、貴金属であるPtなどへの腐食性もあることが知られています。
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