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５章物質の三態（気体・液体・固体）と気体の法則
出典入門化学熱力学、松永義夫、朝倉書房（２００５）
Wikipedia
復習・内容
1) 化学熱力学の概説三態（気体、液体、固体）
外界と系（孤立系、閉じた系、開いた系）
熱化学反応（発熱反応、吸熱反応）
熱力学第一法則
エンタルピー
2)気体の様々な法則アボガドロ、プルースト、ドルトン、ゲーリュサ
ック、ボイル、シャルル
３）熱力学第二法則
エントロピー
４）ギブス自由エネルギー
５－１）三態と熱力学第一法則、エンタルピー, ５－１－１）三態
物質の普通の状態は、気体、液体、固体である（物質の三態）。
物質の内部のすべての部分が、同一の物理的性質および化学
的性質を持つ場合、その物質はひとつの相（phase）にあると言
う。気相(gas phase)、液相(liquid phase)、固相(solid phase)
があり、蒸発（凝縮）は気相液相、融解（凝固）は固相―液相、
昇華（凝縮）は気相―固相間での変化(相転移）である。
固体中で、原子、分子、イオンは定まった位置を中心に振動、ま
たは回転している。温度上昇に伴い、これらの構成粒子の熱運
動は激しくなり、粒子間の引力相互作用（ファンデルワールス相
互作用、クーロン相互作用）が熱運動に勝っている状況では液体、
熱運動が勝ると気体に変化する。
図5.1 固体
液体
気体
５－１－２）孤立系、閉じた系、開いた系
●外界と系：化学反応では、反応が行われる空間を系（system）、
系の外側の空間を外界（surrounding）と区別する。この方法は、
何も化学反応に限らない。例えば、宇宙の中の地球を系としそれ
以外の空間を外界として何らかのテーマを議論することも可能で
ある。
●孤立系：外界は、とてつもなく大きく包容力に富み、系が出す熱
も、系の膨張も何ら外界の温度、圧に影響を与えないものとする。
もし、物質もエネルギーも系と外界の間でやりとりがないなら、そ
の系は孤立系(isolated system)という。
図5.2 孤立系、閉じた系、開いた系、は物質
外界
孤立系
エネルギー
外界
エネルギー外界
閉じた系
エネル
ギー
エネル
ギー
開いた系
●閉じた系：孤立系での化学反応で発熱、吸熱があると、温度、
圧力は一定に保たれない。外界の間で物質のやりとりはない
が、エネルギーのやりとるが系を閉じた系(closed system)と
いう。この系での化学反応での発熱、吸熱などは系の温度、
圧力を変化させない。
●開いた系：エネルギーのやりとりのみならず物質のやりとり
も外界と行う系を開いた系(open system)という。外界も系の
中に含め、(閉じた系＋外界)や(開いた系+外界)を新たな系と
考えると、これらは孤立系である。
５-１-３）熱化学反応、平衡状態、状態量
●粒子間の引力の形で蓄えられているエネルギーが、化学反応（化学
結合の切断、生成）により熱（反応熱 heat of reaction）として放出（発
熱反応 exothermic reaction）又は吸収（吸熱反応 endothermic
reaction）される。25℃、1 atm（現在は100 kPa）での反応熱が熱化学方
程式に用いられ、化合物1molが同一の温度、圧での成分から生じると
きの反応熱を生成熱(heat of formation、発熱or吸熱)という。
H2(g) + 1/2 O2(g) = H2O(l) + 285.8 kJ
H2(g) + 1/2 O2(g) = H2O(g) + 241.8 kJ
●熱化学方程式は、数学における方程式と同様に左辺、右辺への項
の移動、等式の足し算、引き算が可能である。従って、水の蒸発は吸
熱反応で、蒸発熱(heat of vaporization、吸熱)は44.0 kJである。
H2O(l) = H2O(g) – 44.0 kJ
●熱量の単位 J(ジュール）１N（ニュートン）の力で物質を１ｍ移動さ
せるに必要なエネルギー１ J ＝ 1 N・m = 1 kg ・m2 ・s-2
1 cal = 4.184 J
●熱：燃焼熱（発熱）、中和熱（酸＋塩基・・発熱）、溶解熱（発熱or吸
熱）、融解熱（吸熱）、昇華熱（固→気吸熱、気→固発熱）
●系が常に時間的に不変な状態（平衡状態, equilibrium
state）の時、一義的に定まった値を持つ物理量を状態量
(quantity of state)と言い、系全体の中で一様、一定である。状
態量として、物質量に比例する示量性の状態量（体積V、質量ｍ、
熱ｑなど）と、物質量に無関係な示強性の状態量（圧力P,温度T,
密度r）がある。
●化学反応での状態量Xの変化は
DX ＝ SniXi(生成物)  SniXi(反応物)
(5.1)
ここで、D（デルタ）は変化量の記号、S（シグマ）は総和の記号で
ある。

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