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。