リブートサイエンス

大人のための再学習：なぜ物は姿を変えるのか？（物質の状態の基礎）

身近な不思議：物が姿を変えるのはなぜ？

私たちの身の回りには、様々な「物」があります。水は冷やすと氷になり、温めると水蒸気になります。ロウソクは火をつけると溶けて液体になり、さらに熱せられると煙（気体）になります。鉄も非常に高温にすれば溶けて液体になりますし、もっと高温にすれば気体にもなります。

同じ物なのに、どうしてこのように固体、液体、気体と姿を変えるのでしょうか。これは物質の「状態」と呼ばれる性質に関係しています。今回は、この物質の状態がなぜ変わり、それぞれの状態で物はどんな様子になっているのか、基礎から見ていきましょう。

すべての物は小さな粒でできている

まず、科学の基本的な考え方として、すべての物質は非常に小さな「粒」が集まってできている、ということを思い出してみましょう。この小さな粒は、原子であったり、いくつかの原子が集まった分子であったりします。例えば、水はH₂Oという分子が集まってできています。鉄は鉄原子が集まってできています。

この小さな粒一つ一つは、私たちには直接見えませんが、常に動き回ったり、振動したりしています。そして、この粒子の「集まり方」や「動き方」の違いが、物質の「状態」を決めているのです。

固体、液体、気体：粒子の様子の違い

では、固体、液体、気体のそれぞれの状態では、物質の小さな粒たちはどのような様子をしているのでしょうか。

• 固体 固体の状態では、粒子はきれいに整列し、お互いの位置関係があまり変わりません。まるで固い枠にはまったように、それぞれの場所で細かく振動しているイメージです。このため、固体は決まった形と体積を持っています。例えば、氷や石、金属の塊などがこれにあたります。

• 液体 液体の状態になると、粒子は固体ほどきっちり並んではいません。お互いの間を少し自由に動き回ることができますが、まだ粒子同士は引きつけあっていて、集団としてまとまっています。決まった形はありませんが、体積はほぼ一定です。例えば、水や油、溶けた金属などがこれにあたります。コップに入れればコップの形になり、お皿に移せばお皿の形になります。

• 気体 気体の状態では、粒子はお互いの引力をほとんど振り切って、非常に速いスピードで自由に飛び回っています。粒子と粒子の間隔は非常に広く、空間全体に広がろうとします。形も体積も決まっていません。例えば、空気（窒素や酸素の混合気体）、水蒸気などがこれにあたります。風船に詰めれば風船いっぱいに広がり、部屋中に放出されれば部屋いっぱいに広がります。

温度と状態変化の関係

物質が固体、液体、気体と姿を変えるのは、主に温度が関係しています。温度は、物質を構成する小さな粒子の運動の激しさを示す指標です。

温度が高いほど、粒子はより激しく動き回ります。

• 固体を温めると、粒子は振動が激しくなります。さらに温め続けると、粒子同士の結びつきが弱まり、自由に動き回れるようになります。これが固体から液体への変化、つまり融解です。（氷が水になるのがこれです）
• 液体をさらに温めると、粒子はもっと激しく動き回り、ついにはお互いの引力を振り切ってバラバラに飛び回るようになります。これが液体から気体への変化、つまり蒸発や沸騰です。（水が水蒸気になるのがこれです）
• 逆に、気体を冷やすと粒子の動きは遅くなり、集まって液体になります（凝結）。液体を冷やすと粒子の動きがさらに遅くなり、整列して固体になります（凝固）。

このように、温度の変化によって粒子の運動の激しさが変わり、その結果、粒子の集まり方や動き方が変化し、物質の状態が変わるのです。

大人の視点で見る物質の状態

物質の状態変化は、私たちの日常生活や社会の様々な場面で利用されています。

料理をする際に水を沸騰させたり、冷凍庫で物を凍らせたりするのは、まさに状態変化の利用です。工業分野では、金属を溶かして加工したり、石油を加熱して様々な成分に分けたり（蒸留）、液体窒素で物を急速に冷やしたりするなど、物質の状態変化を制御する技術は非常に重要です。

また、地球規模で見ても、水の循環（雨、川、海の氷、水蒸気）は気候に大きな影響を与えていますし、地球内部のマントルが固体でありながらゆっくりと流動していることも、地学の重要なテーマの一つです。

物質が固体、液体、気体と姿を変えるシンプルな現象の裏には、目には見えない小さな粒たちの振る舞いと、温度（エネルギー）との深い関係があることを知ると、いつもの景色が少し違って見えてくるのではないでしょうか。

まとめ

今回は、身近な物質がなぜ固体、液体、気体と姿を変えるのか、その基礎にある「粒子」の動きと「温度」の関係を見てきました。全ての物質は小さな粒子の集まりであり、温度によって粒子の運動の激しさが変わることで、その集まり方が変化し、状態が変わるというシンプルな仕組みでした。

難しい理論はさておき、「物」がどうしてそういう性質を示すのか、その根っこにある考え方を知ることは、世界を見る解像度を少し上げてくれるかもしれません。リブートサイエンスでは、これからも身近な科学の基礎を、大人の視点で学び直すお手伝いをしていきます。