物質の状態変化と質量・体積・密度の関係をわかりやすく図で解説！

このページでは物質の状態変化と質量・体積・密度の関係をわかりやすく図で解説しています。

１．物質の状態変化と質量・体積・密度の関係

結論から言ってしまうと物質の状態変化と質量・体積・密度の関係は、”状態変化によって質量は変わらず、固体になると体積は小さく(＝密度は大きく)なり、気体になると体積は大きく(＝密度は小さく)”なります。

(水は特殊な物質なので上記の関係には当てはまらず、ほとんどの物質とは異なる例外として後の章で個別に解説しています)

まず物質には「固体・液体・気体」の3つの状態が存在し、物質は原子・分子と呼ばれる粒子同士が繋がり合うことで構成されており、「物質の温度＝物質を構成している原子・分子の動きの速さ(＝激しさ)」になります。

なので物質の状態変化というのは、上図のように”物質を構成している原子・分子の動きの速さが変化(＝物質の温度が変化)して、物質を構成している原子・分子同士の繋がり方が変化(＝繋がりが切れたり再び繋がったり)すること”を意味します。

では状態変化について簡単に解説したところで、次の章で「状態変化と質量の関係」「状態変化と体積・密度の関係」に分けてそれぞれ解説していきます。

(このページでは物質の状態変化についての解説は省略しているため、状態変化の原理について詳しく知りたい方は下の記事を参照)

物質は、状態変化しても物質を構成している原子・分子の数が変わるわけではないため、質量は変わりません。

上図のように状態変化というのは、物質を構成している原子・分子同士の繋がり方が変わることによるものなので、状態変化によって物質を構成している原子・分子の数は変わっていないため質量は変わりません。

物質を構成している原子・分子にも質量があり、「原子の質量＝原子量」「分子の質量(分子を構成している原子の原子量を合計したもの)＝分子量」(どちらにも単位はない)と言います。

例えば、アンモニアと水の分子量はそれぞれ「アンモニア(＝NH₃)の分子量 ⇒ 14(N窒素の原子量)+(1(H水素の原子量)×3)＝17(NH₃アンモニアの分子量)」、「水(＝H₂O)の分子量 ⇒ (1(H水素の原子量)×2)+16(O酸素の原子量)＝18(H₂O水の分子量)」となります。

物質は、固体になると体積は小さく(＝質量は変わらないため密度は大きく)なり、気体になると体積は大きく(＝質量は変わらないため密度は小さく)なります。

上図のように固体になると体積は小さくなり、状態変化によって質量は変わらないため密度(＝体積あたりの質量)は大きくなります。

そして気体になると体積は大きくなり、状態変化によって質量は変わらないため密度は小さくなります。

水は特殊な物質で、他の物質と違って固体(氷)になると液体(水)よりも体積は大きくなります。

上図のように水は4℃(液体の状態)で体積が最も小さくなり、他の物質と違って氷(固体)になると体積は水(液体)の約1.1倍に大きくなります。

(水が氷になると体積が大きくなるのは、水分子の間に空間ができる水分子同士の特殊な繋がり方によるもの)

質量については水も他の物質と同様に状態変化によって変わらないため、密度は4℃で最も大きくなり、氷になると水よりも密度は小さくなります。

(水に氷を入れると、氷が沈まずに水に浮かぶのは、氷の方が水よりも密度(＝体積あたりの質量)が小さい(＝軽い)から)

以上が「物質の状態変化と質量・体積・密度の関係をわかりやすく図で解説！」でした。

これまで説明したことをまとめますと、

(水以外のほとんどの)物質の状態変化と質量・体積・密度の関係は、”状態変化によって質量は変わらず、固体になると体積は小さく(＝密度は大きく)なり、気体になると体積は大きく(＝密度は小さく)なる”。
水は、”状態変化によって質量は変わらず、4℃(液体の状態)で体積は最も小さく(＝密度は最も大きく)なり、氷(固体)になると体積は水(液体)と比べて約1.1倍大きくなる”。