物質の特性と状態（物理学）：概要

物質の物理的性質は、物理学の多くの根底にあります。 物質の状態、相変化、化学的性質を理解することに加えて、物質について議論するときは、次のことが重要です。 密度（単位体積あたりの質量）、質量（物質量）、圧力（単位あたりの力）などの物理量を理解する 範囲）。

あなたが精通しているよりも日常の問題は原子でできています。 これが、原子が一般に物質の構成要素と呼ばれる理由です。 109種類以上の原子があり、それらは周期表のすべての元素を表しています。

原子の2つの主要な部分は、原子核と電子殻です。 原子核は原子の中で群を抜いて最も重い部分であり、質量の大部分が存在する場所です。 それは原子の中心でしっかりと結合した領域であり、その質量にもかかわらず、それは原子の他の部分と比較して比較的小さなスペースを占めます。 原子核には陽子（正に帯電した粒子）と中性子（負に帯電した粒子）があります。 原子核内の陽子の数によって原子がどの元素であるかが決まり、中性子の数が異なれば、その元素の同位体も異なります。

電子は負に帯電した粒子であり、原子核の周りに拡散した雲または殻を形成します。 中性に帯電した原子では、電子の数は陽子の数と同じです。 数が異なる場合、その原子はイオンと呼​​ばれます。

分子は、化学結合によって結合された原子です。 化学結合には、イオン結合、共有結合、金属結合の3つの主要なタイプがあります。 イオン結合は、負イオンと正イオンが互いに引き付けられるときに発生します。 共有結合は、2つの原子が電子を共有する結合です。 金属結合は、原子が自由電子の海に埋め込まれた陽イオンのように機能する結合です。

原子や分子の微視的特性は、物質の振る舞いを決定する巨視的特性を生み出します。 温度の変化、結合の強さなどに対する分子の応答はすべて、比熱容量、柔軟性、反応性、導電率などの特性につながります。

物質の状態は、物質が存在する可能性のある多くの異なる形態の1つです。 物質の状態には、固体、液体、気体、プラズマの4つがあります。 各状態には、他の状態と区別するための異なるプロパティがあり、物質が1つの状態から別の状態に変化する相転移プロセスがあります。

あなたが堅実なことを考えるとき、あなたはおそらく何らかの方法で難しいか堅い何かを考えます。 しかし、固体は柔軟で、変形可能で、展性もあります。

固体は、しっかりと結合した分子によって区別されます。 固体状態の物質は、液体状態の場合よりも密度が高くなる傾向があります（ただし、例外はありますが、特に水です）。 固体はその形状を保持し、一定の体積を持っています。

固体の1つのタイプは結晶性固体。 結晶性固体では、分子は材料全体に繰り返しパターンで配置されます。 結晶は、巨視的な形状と対称性によって簡単に識別できます。

別の種類の固体はまとまりのない固体。 これは、分子が結晶格子にまったく配置されていない固体です。 A多結晶固体はその中間にあります。 多くの場合、小さな単結晶構造で構成されていますが、繰り返しパターンはありません。

液体は、互いに簡単に通り過ぎることができる分子でできています。 あなたが飲む水、あなたが料理する油、そしてあなたの車の中のガソリンはすべて液体です。 固体とは異なり、液体は容器の底の形をしています。

液体はさまざまな温度と圧力で膨張および収縮する可能性がありますが、これらの変化は小さいことが多く、ほとんどの実用的な目的では、液体も一定の体積であると見なすことができます。 液体中の分子は互いに通り過ぎることができます。

表面に付着したときにわずかに「粘着性」になる液体の傾向は、接着力、および液体分子が互いにくっつきたい能力（水滴が葉の上にボールを形成するときなど）は、凝集​.

液体では、圧力は深さに依存します。このため、水没したオブジェクトまたは部分的に水没したオブジェクトは、オブジェクトの上部と下部の圧力差によって浮力を感じます。 アルキメデスの原理は、この効果を説明し、オブジェクトが液体に浮いたり沈んだりする方法を説明します。 「浮力は押しのけられた液体の重量に等しい」という記述で要約できます。 そのため、浮力は液体の密度と物体のサイズに依存します。 液体よりも密度の高いオブジェクトは沈み、密度の低いオブジェクトは浮きます。

ガスには、互いに簡単に動き回ることができる分子が含まれています。 それらは容器の完全な形状と体積を取り、非常に簡単に伸縮します。 ガスの重要な特性には、圧力、温度、体積が含まれます。 実際、これらの3つの量は、理想気体の巨視的状態を完全に説明するのに十分です。

理想気体は、分子を点粒子として近似でき、相互作用しないと想定される気体です。 理想気体の法則は、多くの気体の挙動を記述し、次の式で与えられます。

どこP圧力です、Vボリュームです、nは物質のモル数であり、Rは理想気体定数です（R= 8.3145 J / molK）およびTは温度です。

この法則の別の定式化は次のとおりです。

どこNは分子の数であり、kボルツマン定数（k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K）。 （懐疑的な読者はそれを確認することができますnR = Nk​.)

ガスはまた、それらに浸された物体に浮力を及ぼします。 ほとんどの日常の物体は私たちの周りの空気よりも密度が高く、この浮力はあまり目立たないようになっていますが、ヘリウム気球はその完璧な例です。

プラズマは、電子が原子を離れる傾向があるほど熱くなったガスであり、電子の海に陽イオンを残します。 プラズマ全体に正電荷と負電荷が同数あるため、 準中性ですが、電荷の分離と局所的な凝集により、プラズマは 通常のガス。

プラズマは、電界と磁界の影響を大きく受けます。 プラズマ自体の電荷が移動するときに電界と磁界を生成し、相互に影響を与えるため、これらの電界も外部である必要はありません。

より低い温度とエネルギーでは、電子とイオンは中性原子に再結合したいので、プラズマ状態を維持するには、一般に高温が必要です。 ただし、いわゆる非熱プラズマは、イオン化された原子核がそうではないのに、電子自体が高温を維持する場合に作成できます。 これは、たとえば、蛍光灯の水銀蒸気ガスで発生します。

「通常の」ガスとプラズマの間に必ずしも明確な遮断があるとは限りません。 ガス中の原子と分子は段階的にイオン化される可能性があり、ガスが完全にイオン化されるのに近づくほど、プラズマのようなダイナミクスを示します。 プラズマは、その高い電気伝導率、2つの異なるタイプの粒子（正イオンと負の電子）を持つシステムのように機能するという事実によって、標準ガスと区別されます。 1つのタイプ（中性の原子または分子）を備えたシステムとは対照的に、粒子の衝突と相互作用は、標準の2体の「ビリヤードボール」相互作用よりもはるかに複雑です。 ガス。

プラズマの例には、雷、地球の電離層、蛍光灯、太陽のガスなどがあります。

物質は、ある段階または状態から別の段階へと物理的に変化する可能性があります。 この変化に影響を与える主な要因は、圧力と温度です。 原則として、固体は液体に変わるために暖かくなり、液体は気体に変わるために暖かくなり、気体はイオン化されてプラズマになるために暖かくならなければなりません。 これらの遷移が発生する温度は、圧力だけでなく材料自体にも依存します。 実際、適切な条件下で、固体から気体へ（昇華と呼ばれます）、または気体から固体へ（堆積）直進することが可能です。

固体が融点まで加熱されると、液体になります。 固体を溶融温度まで加熱するために熱エネルギーを追加する必要があります。次に、温度が上昇し続ける前に、相転移を完了するために追加の熱を追加する必要があります。 ザ・融解潜熱は、物質の単位質量を溶かすのに必要なエネルギー量を決定する、特定の各材料に関連付けられた定数です。

これは他の方向でも機能します。 液体が冷えると、熱エネルギーを放出する必要があります。 凝固点に達すると、温度が下がり続ける前に相転移を起こすためにエネルギーを放出し続ける必要があります。

液体がその沸点まで加熱されると、同様の動作が発生します。 熱エネルギーが追加され、沸騰し始めるまで温度が上昇します。沸騰し始めると、追加された熱エネルギーが使用されます。 相転移を引き起こし、結果として生じるガスの温度は、すべての液体が変化するまで上昇しません 段階。 と呼ばれる定数蒸発潜熱特定の物質について、単位質量あたりの物質の相を液体から気体に変えるために必要なエネルギー量を決定します。 物質の蒸発潜熱は、一般に、融解潜熱よりもはるかに大きくなります。

物質の化学的性質は、どのような種類の化学反応または化学変化が起こり得るかを決定します。 化学的性質は、それらを測定するためにある種の化学変化を必要とするという点で物理的性質とは異なります。

化学的性質の例には、可燃性（材料が燃えやすい）、反応性（材料がどれだけ簡単に発生するか）が含まれます。 化学反応）、安定性（化学変化に抵抗する可能性）、および材料が他の材料と形成できる結合の種類 材料。

化学反応が起こると、原子間の結合が変化し、新しい物質が形成されます。 一般的なタイプの化学反応には、結合（2つ以上の分子が結合して新しい分子を形成する）、分解（分子が2つに分解する）が含まれます。 またはより多くの異なる分子）および燃焼（化合物が酸素と結合し、かなりの量の熱を放出します-より一般的には「燃焼」と呼ばれます） 少数。