11.1: 気体、液体及び固体の分子比較

固体中の粒子は、互いに密着しており（形状が固定されている）、多くの場合、規則的なパターンで配列されています。液体中では、粒子は互いに接近しており、規則的な配列はありません（形状が固定されていない）。また、気体中では、粒子は互いに離れており、規則的な配列はありません（形状が固定されていない）。固体中の粒子は、一定の位置で振動しており（流動できない）、一般的には互いに関係なく動くことはありません。液体中の粒子は、互いにすれ違うが（流動できる）、基本的には常に接触しています。気体中の粒子は、衝突する場合を除き、互いに独立して動きます（流動・膨張できる）。

固体、液体、気体の性質の違いは、それぞれの相を構成する原子、分子、イオンの間に働く引力の強さを反映しています。物質の相は、物質を構成する原子と分子の間に存在する静電引力である分子間力（IMF）と、分子の運動エネルギー（KE）の相対的な大きさによって決まります。IMFが粒子同士をくっつける役割を果たすのに対し、粒子のKEは引力に打ち勝つためのエネルギーとなり、粒子間の距離を広げることができます。例えば、液体中では、分子間の引力が分子を接触させていますが、十分なKEを持っているので、分子同士がすれ違うことができます。そのため、液体は流れ、容器の形をしています。

分子運動理論（KMT）によれば、物質の温度はその粒子の平均運動エネルギーに比例します。この平均運動エネルギー（温度）を変化させると、物理的な状態が変化し、それに伴って分子間力も変化します。例えば、気体の水を十分に冷やして、分子の平均運動エネルギーを小さくすると、H₂O分子同士が接触したときに、分子間の引力が強くなり、気体が凝縮して液体H₂Oとなります。

温度がそれほど高くない場合には、気体は圧縮（高圧）によって液化することがあります。気体は非常に弱い引力を持っているため、粒子は大きな距離に広がっています。圧力を上げると、気体の分子同士が接近し、分子間の引力がKEに比べて強くなります。その結果、液体になるのです。使い捨てライターの燃料であるブタンは、C₄H₁₀であり、標準的な温度と圧力では気体です。ライターの燃料室の中では、ブタンは圧力をかけて圧縮され、凝縮して液体になっています。さらに、液体の温度が十分に低くなったり、液体にかかる圧力が十分に高くなったりすると、液体の分子は分子間のIMFに打ち勝つだけのKEを持たなくなり、固体となります。

本書は 、 Openstax, Chemistry 2e, 第 10 章：液体および固体からの引用です。

すべての物質は、一定でランダムな動きをする非常に多数の分子で構成されています。氷や金属でも、原子は動いています。

物質には、固体、液体、気体の3つの異なる状態があります。これらすべての状態において、分子、原子、またはイオンは特定の量の運動エネルギーで運動しており、それが物質の状態を決定します。

気体状態では、分子は高い運動エネルギーを持っています。高エネルギー分子は互いに素早く移動し、広く離れているため、頻繁に交差することが難しくなります。その結果、ガス中の引力は弱くなります。

このわずかな引力では、ガスは明確な体積や形状を持たず、容器の全体積を満たすために自由に膨張します。分子の周囲に多くのスペースがあるため、ガスは密度が低く、圧縮しやすくなります。

ガスが圧縮または冷却されると、その運動エネルギーが減少し、その結果、分子が減速します。分子は互いにすれ違う頻度が高くなり、互いに接近します。

これにより、分子間力の量が増加し、気体が液体状態に変換されます。

液体内の分子は、より強い引力によって結合されているため、周囲にはほとんどスペースがありません。したがって、液体は気体よりも密度が高く、圧縮が困難です。液体にも一定の体積があり、容器の形状を前提としています。

引力が強くても、液体中の分子は互いに自由に動き回ることができるため、液体は流れたり注いだりすることができます。

液体がさらに冷却されると、運動エネルギーは、強い分子間力のために粒子が動きをほとんど停止し、固定位置でのみ振動できる点まで減少します。この時点で、分子は固体と呼ばれる3次元の立体構造状態に変化します。

どんな固体でも、分子は密集しており、その周囲に空きスペースはほとんどありません。したがって、固体は非圧縮性であり、明確な体積と形状を持っています。