3分でわかる状態の三態（固体・液体・気体）の違い！体積・質量は？登録者数95万人人気講師がわかりやすく解説

ライター／小野塚ユウ

この記事の「とある男が授業をしてみた」×「ドラゴン桜」のコラボ記事執筆を担当。自身も大学での研究経験を活かし、現役講師として活動している。

登録者数95万人の人気講師YouTuber「とある男が授業をしてみた」とコラボ！

今回の記事は、人気講師YouTuberの再生回数16万回の授業をもとにまとめています。

また、こちらの動画の内容もふくまれています。ほかにも中学生・高校生向けのわかりやすい授業が多いので、ぜひ見てくださいね。

状態変化とは？

image by Study-Z編集部

皆さんにおなじみの物質である”水”。水は「温度」によって状態が変わります。

水を冷凍庫に入れると氷になったり、やかんに入れて沸騰させるとたくさんの水蒸気が出てくる様子が見られますよね。水以外の物質でも、温めたり冷やしたりすることで状態を変えることができるんです。

このような、温度による状態の変化を「状態変化」といいます。

水の状態変化

例として、水の状態変化をもう少し詳しく見てみましょう。

通常、室温においてある水は液体の状態です。これを冷却すると固体の状態である氷になります。また、水を加熱すると水蒸気になりますが、これは水が気体になっている状態です。

このように、状態変化とは液体・固体・気体の間で状態が変化することといえます。

そうですね。逆に、温度の高い気体の状態の物質を冷やせば液体に戻り、さらに冷やし続ければ固体になります。

固体⇔液体⇔気体

昇華とは？

物質の中には固体の状態から液体にならず、直接気体に状態変化するような物質もあるんです。そのような状態変化は「昇華（しょうか）」という特別な名前でよばれています。

状態変化と体積・質量

物質の温度を変えて固体・液体・気体のさまざまな状態変化を引き起こすことができますが、体積や質量は変化するのでしょうか？

結論から言えば、状態が変わるとその物質の体積は変化しますが、質量は変化しません。

例えば1gの液体の水を、気体にした場合を考えてみましょう。

1gの液体の状態の水というと、水滴で20滴ほど。ペットボトルのふたに、1/5くらいのところまで水を入れると、だいたい1gです。

非常にわずかな体積ですが、これがすべて100℃の水蒸気になると、その体積は1700㎤（1.7L）ほどにもなります！わずかな水が気体になっただけで1.5Lのペットボトルよりも大きなかさになる…というのは不思議な感じがしますね。

体積の変化はとても大きいですが、1gの液体の水を気体にしただけならば、気体の状態であっても質量は1gのままです。体積が変化しても、質量は増えたり減ったりしない、ということも覚えておきたいですね。

もちろん、固体と液体の間の変化でも、これはおなじです。1gの水を凍らせてできた氷は、体積が少し変わりますが、質量は1gのままとなります。

いろいろな物質が室温でどの状態か、知っておこう！

image by Study-Z編集部

水以外の物質が、室温でどのような状態をとるのかもイメージできるようになりましょう。鉄は固体、窒素は気体、食塩（塩化ナトリウム）は固体の状態をとります。

これらの物質でも、温めたり冷やしたりすることで他の状態に変化させることができるのです。

状態変化と体積・質量の変化を確認する実験

image by Study-Z編集部

二本目の動画では、実験を通して物質が状態変化するときの体積と質量の関係をみていきます。実験に使うのはろうそくの主成分でもあるロウと、エタノールです。

ロウの状態変化

ビーカーに入っている液体のロウを冷やして固体にすると、表面がへこむようにして固まっていきます。ギュッと縮まっているような感じですね。これにより、固体のロウは液体の時よりも体積が小さくなったということがわかります。

一方、質量をはかると、液体だった時と固体になったときの質量は変わりません。

では、密度はどうでしょう？体積が小さくなっても質量が変わっていないので、固体に状態変化したことでロウの密度は大きくなった、ということができます。

同じロウでも、液体のロウのほうが固体のロウよりも密度が小さいため、固体のロウを液体のロウに入れるとしずみます。

エタノールの状態変化

ポリエチレンぶくろに液体のエタノールを入れ、その上からお湯をかけるとふくろがふくらみます。これは、液体だったエタノールが気体になることで体積が増えたためです。

ロウとエタノールの実験から、次のようなことが言えます。

基本的に…

・液体から気体に状態変化すると、体積がふえる（密度が小さくなる）
・液体から固体に状態変化すると、体積がへる（密度が大きくなる）

なお、状態変化しても質量は変わらない、ということは忘れないようにしましょう。

水の状態変化は少し変？

実は、例外がみられるのは、水の状態変化などです。

液体から気体になると体積が増えるのは、水も他の物質と同じ。問題は、液体から固体になるときです。普通ならば体積がへるのですが、水は例外的に体積が増えます。

質量が同じまま体積が増えるので、密度は液体だった時よりも小さくなるのです。そのため、氷は水に浮くことができるんですね。

粒で状態変化を表すモデル

教科書には、液体や固体、気体の状態を粒の動きの違いで表したイラストがかかれることがあります。

このような場合、それぞれの”粒”が表しているのは、物質を構成している分子や原子です。分子や原子の動き（熱運動）の違いが状態の違い、温度の違いに関係してくる…という説明の絵になっています。

image by Study-Z編集部

粒のモデルで状態変化を表現するときには、それぞれの状態中にみられる粒の数は必ず同じになるように書かれています。

固体・液体・気体のどの状態であっても、含まれている粒の数が同じだから、質量が変わらないという説明がされるのです。これも、詳しくは高校の化学で学習するでしょう。

物質のとる”3つの状態”を忘れない！

温度によって、物質は「固体・液体・気体」のいずれかの状態をとります。酸素や二酸化炭素のように、常温で気体の物質もあれば、水のように液体のもの、金属や砂糖、塩のように固体のものなど、物質によって状態が違うのです。

水蒸気や氷は、温度を変えて状態が変わった水と同じ。決して「違う物質」ではない、ということを忘れないようにしましょう。

この記事の目次

登録者数95万人の人気講師YouTuber「とある男が授業をしてみた」とコラボ！

状態変化とは？

水の状態変化

昇華とは？

状態変化と体積・質量

いろいろな物質が室温でどの状態か、知っておこう！

状態変化と体積・質量の変化を確認する実験

ロウの状態変化

エタノールの状態変化

水の状態変化は少し変？

粒で状態変化を表すモデル

物質のとる”3つの状態”を忘れない！

昇華とは？

状態変化と体積・質量