物質の相と分類

物質の状態

物質とは、空間を占有し質量を持つすべてのものと定義され、私たちの身の回りのあらゆる場所に存在します。固体や液体は、より明白な物質の形態です。それらが空間を占めていることは一目で分かり、その重量は質量があることを示しています。気体もまた物質です。もし気体が空間を占有しないのであれば、風船は膨らまず、しぼんだままでしょう。

固体状態

金やプルトニウムのような金属の場合、この格子は通常結晶質であり、剛性、密度、電気伝導性などの性質を付与します。エネルギー準位が十分に低いため、原子結合は損なわれず、長距離秩序が保たれます。

液体状態

格子構造は崩壊して短距離秩序へと変化します。粒子は互いに接触を保ちながら絶えず再配置されます。液体は流れ、圧力を効率的に伝達し、表面張力を示します。この状態は、熱エネルギーが固体格子の剛性を克服しても、粒子間の凝集力までは断ち切れないときに現れます。

気体状態

原子間力は、その運動エネルギーに比べて無視できるほどです。気体は利用可能な空間を満たすために膨張し、圧縮性が高く、密度が低いです。この状態は、熱エネルギーが凝集力を完全に克服し、粒子が独立して行動できるようになったときに生じます。

プラズマ状態

通常の気体とは異なり、プラズマは導電性を持ち、強烈な放射線を放出し、電磁場に強く反応します。個々の粒子の運動よりも、集団的な挙動が支配的です。この状態では、従来の化学構造は存在しなくなり、物質は主に電磁的および核規模の相互作用によって支配されます。

プラズマは、恒星、雷、あるいは高エネルギーの天体物理学的・実験室的現象において一般的に見られる、最も高エネルギーな古典的物質状態を表します。

質量と重量

調査対象となる物質は、多様な物質の複雑な集合体として存在する場合があります。そのような標本は、化学化合物、均一な溶液、または不均一な凝集体という形をとることがあり、しばしば多様なサンプルの集まりとして現れます。単一の物質を観察する場合でも、多面的な混合物を観察する場合でも、研究対象の性質は、その化学的組成と構成要素の物理的状態の両方によって決定されます。

特定の物質は、複数の物質状態に関連する特性を同時に示すことがあります。この現象は、バルクサンプルが多数の個別の粒子で構成されている粒状材料において頻繁に観察されます。例えば、砂は液体を思わせるように「注ぐ」ことができますが、個々の粒は断固として固体のままです。さらに、物質が混合物として存在する場合、複数の状態の性質を併せ持つことがあります。顕著な例は雲に見られます。雲は気体のように振る舞うように見えますが、実際には気体状態の空気と、液体滴または固体の氷結晶である微細な水粒子の混合物、すなわちエアロゾルです。

物体の質量とは、その中に含まれる物質の量の尺度を構成します。物体の質量を確認する基本的な方法の一つは、特定の加速度を与えるのに必要な力の大きさを測定することです。例えば、自動車を加速させるには自転車よりもはるかに大きな力が必要ですが、これは自動車の方がはるかに大きな質量を持っているためです。しかし、一般的な慣行では、天秤を使用して物体の未知の質量を標準的な基準質量と比較することによって質量を決定することがより一般的です。

重量は根本において質量に関連しているものの、これら二つの概念を厳密に区別することは肝要です。重量は重力が物体に及ぼす力を指し、その大きさは物体の質量に正比例します。したがって、物体の重量は現地の重力の強さに応じて変動しますが、その質量は不変の性質として残ります。例えば、宇宙飛行士を考えてみましょう。彼女が月面に到着しても彼女の質量は変わりませんが、月の重力は地球のわずか6分の1であるため、彼女の重量は地球での重量の6分の1に減少します。彼女は外力が無視できる旅行中に「無重量」を感じるかもしれませんが、物理的な意味で「無質量」になることは決してありません。彼女を構成する物質の量は一定であるためです。

質量保存の法則

物質に関する多くの科学的観察を要約すると、次のようになります。すなわち、物質が一方の型から他方へ変換される際（化学変化）、または固体、液体、気体の間で変化する際（物理変化）、存在する物質の総量に検出可能な変化はないということです。ビールの醸造や電池の動作は、物質保存の例を示しています。

密閉された容器の中に、いくつかの構成材料を入れます。本実験の目的上、最終的な内容物に小麦、水、砂糖、卵、塩、オリーブオイルが含まれるとしましょう。この容器は、均一な組成を実現するために振動ミキサーにかけられます。続いて、容器はオーブンに入れられ、200°C（400°F）で30分から35分間焼かれます。

容器自体は、逆止弁機構と耐熱ゴム製のチャンバーを備えた、独立した二次セクションを持つように設計されています。焼成工程の開始前に、容器の重量が測定され、総重量が細心の注意を払って記録されます。

質量保存の実験

この実験は、初期の未変成の物質と、焼成後の製品である「スープ」の状態が、重量において等しいままであることを示しています。したがって、測定が同じ場所、同じ環境条件下で行われたため、それらの質量も等しいことが証明されます。

この保存の法則は物質のあらゆる変換において真実ですが、日常の経験において説得力のある実演は極めて稀です。これは、厳格に管理された実験室の条件下を除いて、特定の変換中に生成されるすべての物質を完全に回収することに成功することは稀であるためです。例えば、食物の摂取と消化という生物学的プロセスを考えてみましょう。元の食物に含まれるすべての物質は厳密に保存されますが、相当な部分が体内に取り込まれ、残りは様々な種類の排泄物として排出されるため、直接測定によってこの法則を検証することは困難な課題となります。

さらに、お気づきかもしれませんが、私たちは観察を明確にするために、可変容積機能を持つチャンバーや実験説明で詳述したその他の改良点を含む、いくつかの洗練された装置を設計しました。これらの工夫は、物理的システムの現実が多面的な問題であり、開放系として機能する自然界の複雑さに依存していることを示すために役立ちます。

また、厳格な科学的アプローチの重要性も認めなければなりません。学術的な活動のあらゆる段階において、理論的で理想化された孤立環境と、自然界で遭遇する開放系の両方を考慮することが不可欠です。

原子と分子

原子は、物質固有の性質を保持し、化学結合に関与し得る、元素の極微の粒子を象徴するものである。例証として、金という元素を考えてみよう。金の塊を二等分し、用いられる器具の精緻さに関わらず、さらなる分割を拒むほどに微小な金の断片が残るまで、得られた部分を繰り返し分割する行為を想像されたい。この究極の、これ以上還元することのできない部分が原子を構成する。これは、「不可分」を意味するギリシャ語の atomos に由来する名称である。この原子をさらに分割すれば、それはもはや金ではなくなるであろう。

万物が原子によって構成されているという最初の仮説は、紀元前5世紀にその教義を確立したギリシャの哲学者レウキッポスとデモクリトスに帰せられる。にもかかわらず、科学的探究に深い献身を捧げた英国の教師、ジョン・ドルトン（1766–1844）が、厳密な定量的測定を通じてこの仮説を立証したのは、19世紀の初頭に至ってのことであった。

その時代以来、繰り返された実験はこの仮説の数多くの側面を裏付けており、結果としてこの仮説は化学の領域において基礎となる理論の地位へと昇り詰めた。ドルトンの原子説の他の特定の教義は、些細な修正こそ加えられたものの、今日に至るまで依然として使用されており、これらの原理に関する包括的な詳説は、続く原子と分子に関する論考において提供される。

マクロな写真：金の塊（Au）。

固体状態における金の構造のミクロな画像。

原子は、人間の精神がその規模を想起することさえ著しく困難なほど、極微な大きさを有しております。肉眼で識別し得る最も微細な物体の一つに、クモの巣の単一の糸が挙げられます。かかる糸の直径は、およそ cm（0.0001 cm）であります。顕微鏡の助けなしには、単一の糸の断面を認識することはほぼ不可能に近いものの、原子の尺度に照らせば、それは依然として巨大なものと言わざるを得ません。前述の糸に含まれる一個の炭素原子は、約 cm（0.000000015 cm）の直径を有しており、結果として、一本の糸の直径を横切るには約7,000個の炭素原子を要することとなります。学習者に、より明確な視点を提供するならば、もし一個の炭素原子を小さな硬貨ほどの大きさに拡大したと仮定すると、クモの糸の断面はサッカー場の規模を超え、その表面を覆い尽くすには約1億5,000万枚もの「硬貨」を必要とする計算になります。

成熟した綿の実（蒴果）

構造的段階

綿組織構成の細胞レベル

綿花の繊維状有機組織の分子構造

綿組織内における単一有機分子の図式

原子は極めて軽く、その質量を想像することは、同様に困難を極めます。10億個の鉛原子（1,000,000,000個の原子）の重量は、およそ グラムであり、この質量は、世界で最も精緻な天秤をもってしても計量するにはあまりに軽すぎます。計量を可能にするには、300,000,000,000,000個（300兆個、すなわち ）を超える鉛原子が必要となりますが、それほど集まったとしても、その重量はわずか0.0000001グラムに過ぎないのです。

自然界において、個々の原子が独立して存在することは稀です。ヘリウム、ネオン、アルゴンといった希ガスなど、ごく一部の元素のみが、互いに独立して動く個々の原子の集まりで構成されています。水素、窒素、酸素、塩素などの他の元素は、原子のペアからなる個別の単位で構成されています。

個々の原子の集合体を見出すことは稀なことです。ヘリウム、ネオン、アルゴンなどのわずかな元素のみが、互いに独立して動き回る個々の原子の集合で構成されています。水素、窒素、酸素、塩素といった他の元素は、原子のペアからなる単位で構成されています。

リンという元素の一つの形態は、4つのリン原子からなる単位で構成されています。硫黄という元素は様々な形態で存在し、その一つは8つの硫黄原子からなる単位で構成されています。これらの単位は「分子」と呼ばれます。分子は、化学結合と呼ばれる強い力によって結合された2つ以上の原子で構成されています。

分子内の原子は、6本パックのソーダ缶や一つのキーリングにまとめられた鍵束のように、一つの単位として動き回ります。分子は、水素、酸素、硫黄などの元素に見られるように、2つ以上の同一の原子で構成される場合もあれば、水に見られる分子のように、2つ以上の異なる原子で構成される場合もあります。

それぞれの水分子は、2つの水素原子と1つの酸素原子を含む単位です。それぞれのグルコース（ブドウ糖）分子は、6つの炭素原子、12の水素原子、6つの酸素原子を含む単位です。原子と同様に、分子もまた信じられないほど小さく軽いです。もし普通のコップ一杯の水を地球の大きさにまで拡大したならば、その中の水分子はおよそゴルフボールほどの大きさになるでしょう。

水素

酸素

リン

硫黄

水

二酸化炭素

グルコース（ブドウ糖）

物質の分類

導入に際し事態を簡略化するため、ここに物質分類の定義およびその判別法を、平易かつ明快に記述せんとする。

蓋し、これは化学的分類法における簡略化された導入に過ぎぬが、学問には必ずや始点が必要であり、こここそがその適地なり！

物質は幾つかの異なる範疇に分類し得、その内の二つが混合物および純物質なり。純物質は一定の組成を有し、故に、その如何なる試料も全く同一の構成と性質を呈するものなり。

例を挙げれば、如何なる蔗糖（食卓糖）の試料も、質量において炭素四二・一％、水素六・五％、および酸素五一・四％より成る。また、如何なる蔗糖の標本も、その由来を問わず、融点、色、および甘味等の同一の物理的性質を示すなり。

純物質は更に二つの異なる類、即ち元素および化合物に分けらる。

化学的変化により、より単純な物質に分解し得ぬ純物質を元素と称す。百種を超える既知の元素の内、親しみ深き例として鉄、銀、金、アルミニウム、硫黄、酸素、および銅が挙げらる。

これら元素の内、約九十種は地球上に天然に存在し、一方、約二ダースは実験室内にて人工的に造り出されたるものなり。

化学적変化により分解し得る純物質を化合物と呼ぶ。この分解は元素、他の化合物、あるいはその両者を生ぜしむる。橙色の結晶性固体なる酸化水銀(II)は、熱により元素たる水銀と酸素に分解し得。

空気のなき状態にて加熱する時、化合物たる蔗糖は、元素たる炭素と化合物たる水へと分解さる。（この過程の初期段階、即ち糖が褐色を帯びる時は「カラメル化」として知られ、これこそがカラメル林檎、玉葱のカラメル炒め、およびカラメルそのものに特有の甘く香ばしき風味を付与するものなり）。

塩化銀(I)は白色の固体にして、光の吸収により、その構成元素たる銀と塩素に分解し得。この性質は、写真用フィルムおよび調光レンズ（光に曝さるれば暗転するレンズ）における、当化合物の使用の基礎となれり。

酸化水銀(II) (HgO)

当化合物は水銀液の銀色の滴と、不可視の酸素ガスとに分解さる。

化合したる元素の諸性質は、遊離状態あるいは未結合の状態における性質とは異なるものなり。例えば、白色結晶状の糖（蔗糖）は、単体では黒色固体なる炭素と、未結合時には無色気体なる水素および酸素の二元素とが、化学的に結合して生じたる化合物なり。また、軟らかく光沢ある金属固体たる遊離ナトリウムと、黄緑色の気体たる遊離塩素とが結合すれば、白色結晶性固体なる塩化ナトリウム（食卓塩）が形成さる。

混合物は二種以上の物質より成り、その成分比は一定ならず、蒸発等の物理的変化により分離し得るものなり（これについては後刻、詳述せん）。各所によりその組成の異なる混合物を「不均一混合物」と称す。イタリア式調味液（ドレッシング）は、不均一混合物の適例なり。

その組成は油、酢、および香草の分量を加減し得るが故に一定ならず、混合物の各所において均一ならざるなり。油と酢は分離し、香草は沈殿するが故に、ある一滴は主として酢より成り、別の一滴は主として油あるいは香草より成ることもあり得。不均一混合物の他の例としては、チョコレート・チップ・クッキー（チョコレート、胡桃、生地が各々分かたれて視認し得）や花崗岩（石英、雲母、長石等を識別し得）が挙げらる。

均一混合物は「溶液」とも呼ばれ、一様な組成を有し、外観上も全般にわたり同一に見ゆるものなり。溶液の例としては、水、糖、着色料、香料、および電解質が均一に混和されたる運動用飲料（スポーツ飲料）がこれに該当す。

運動用飲料の如何なる一滴も同じ味を呈するは、各々の滴が同量の水、糖、およびその他の成分を含有するが故なり。尤も、かかる飲料の組成は変動し得るものであり、糖や香料の分量を多少増減せしめても、依然として運動用飲料であることに変わりなき点に注意せよ。均一混合物の他の例には、大気、楓糖液（メープルシロップ）、揮発油（ガソリン）、および食塩水が含まらる。

元素の種類は百余種に過ぎねど、これら元素の異なる組み合わせにより、数千万に及ぶ化学化合物が生ぜり。個々の化合物は固有の組成を有し、他の一切の化合物と区別し得る一定の化学的・物理的性質を具備す。そして、元素や化合物を組み合わせて異なる混合物を造る方法は、言わずもがな無数に存在するものなり。物質の諸分類を判別する方法の要約を、以下の図式に示す。

十一種の元素は地殼および大気のおよそ百分之九十九を構成す。右総量の中、酸素は殆ど其の半ばを占め、硅素は約四分の一に当たる。地球上の元素の大部分は他と化合せる状態で発見せらるるも、其の約四分の一は又、遊離せる状態にて見出さるるものなり。

水の分解：実験と現実

水は、水素と酸素の元素が2対1の割合で結合して構成されています。エネルギーを加えることで、水を水素ガスと酸素ガスに分解することができます。その方法の一つとして、電池や電源装置の使用が挙げられます。

水の分解では、水分子内の原子が、それぞれ2つの水素原子と2つの酸素原子で構成される別の分子へと再配列されます。2つの水分子から、1つの酸素分子と2つの水素分子が形成されます。

起こっている現象の表し方、 、については、後の章で詳しく説明します。

水の分解 / 水素の製造

生成された2つの気体は、明らかに異なる特性を持っています。酸素は可燃性ではありませんが燃料の燃焼に不可欠であり、水素は非常に燃えやすく強力なエネルギー源です。この知識は私たちの世界でどのように応用できるでしょうか？一つの応用例として、より燃費の良い輸送手段の研究が挙げられます。燃料電池自動車（FCV）は、ガソリンの代わりに水素で走行します。

これらは内燃機関を搭載した車両よりも効率的で、汚染物質を排出せず、温室効果ガスの排出を削減するため、化石燃料への依存度を低めることができます。しかし、FCVはまだ経済的に自立しておらず、現在の水素製造は天然ガスに依存しています。もし、水を経済的に分解するプロセスを開発したり、他の環境に優しい方法で水素を製造したりすることができれば、FCVは未来の道となるかもしれません。

水素と酸素の化学反応によるエネルギー生成の概念