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物理科学において、相とは、化学的に均一で、物理的に異なり、（多くの場合）機械的に分離可能な物質の領域を指します。ガラス瓶に入った氷と水から成るシステムでは、氷が 1 つの相、水が 2 番目の相、湿った空気が氷と水の上の 3 番目の相です。瓶のガラスは別の物質であり、独自の別の相になっています。（物質の状態 § ガラス を参照してください。）
より正確には、相とは空間領域（熱力学システム）であり、その領域全体にわたって物質のすべての物理的性質が本質的に均一である。[1] [2] : 86 [3] : 3 物理的性質の例には、密度、屈折率、磁化、化学組成などがある。
相という用語は、物質の状態の同義語として使用されることもありますが、同じ物質の状態でも混ざり合わない相が複数存在する場合があります (油と水が、どちらも液体の状態にあるときに、別々の相に分離する場合など)。また、圧力や温度などの状態変数で説明され、相境界によって区切られた、状態図に示される平衡状態を指すために使用されることもあります。 (相境界は、物質の組織の変化に関係しており、これには、たとえば固体状態内のある結晶構造から別の結晶構造への微妙な変化や、固体と液体の間の状態変化などが含まれます。) これら 2 つの用法は、上記の正式な定義と一致しておらず、意図される意味は、用語が使用される文脈から部分的に判断する必要があります。
フェーズの種類
異なる相は、気体、液体、固体、プラズマ、ボーズ・アインシュタイン凝縮などの異なる物質の状態として説明できます。固体と液体の間の有用な中間相は、他の物質の状態を形成します。
特定の物質状態の中にも、異なる相が存在する場合があります。鉄合金の図に示すように、固体と液体の両方の状態において、複数の相が存在します。また、極性 (親水性) または非極性 (疎水性) のように溶解度に基づいて相を区別することもできます。水 (極性液体) と油 (非極性液体) の混合物は、自然に 2 つの相に分離します。水は油に非常に低い溶解度(不溶性) を持ち、油は水に低い溶解度を持ちます。溶解度とは、溶質が溶媒に溶解しなくなり、別の相のままになる前に溶解できる溶質の最大量です。混合物は 3 つ以上の液相に分離することができ、相分離の概念は固体にまで及びます。つまり、固体は固溶体を形成することも、異なる結晶相に結晶化することもできます。相互に溶解する金属ペアは合金を形成できますが、相互に溶解しない金属ペアは合金を形成できません。
混ざり合わない液相は 8 つも観察されています。[a]互いに混ざり合わない液相は、水 (水性相)、疎水性有機溶媒、パーフルオロカーボン(フッ素相)、シリコーン、さまざまな金属、溶融リンから形成されます。すべての有機溶媒が完全に混ざるわけではありません。たとえば、エチレングリコールとトルエンの混合物は、2 つの異なる有機相に分離する場合があります。[b]
相は巨視的に自発的に分離する必要はありません。エマルジョンとコロイドは、物理的に分離しない混和しない相ペアの組み合わせの例です。
相平衡
平衡状態に放置すると、多くの組成物は均一な単一相を形成しますが、温度と圧力によっては、単一の物質であっても 2 つ以上の異なる相に分離する場合があります。各相内では特性は均一ですが、2 つの相間では特性が異なります。
密閉された瓶の中に空気層がある水は、2 相システムを形成します。水のほとんどは液相にあり、水分子の相互引力によって保持されています。平衡状態でも分子は常に運動しており、液相の分子が十分な運動エネルギーを得て液相から分離し、気相に入ることがあります。同様に、蒸気分子が液面に衝突して液体に凝縮することもあります。平衡状態では、蒸発と凝縮のプロセスが正確にバランスし、どちらの相の体積も正味変化しません。
室温および常圧では、水の上の空気の湿度が約 3% のときに水瓶は平衡状態に達します。この割合は温度が上昇するにつれて増加します。100 °C および大気圧では、空気が 100% の水になるまで平衡状態に達しません。液体が 100 °C を少し超える温度に加熱されると、液体から気体への変化は表面だけでなく液体全体にわたって起こり、水が沸騰します。
フェーズ数
特定の組成では、特定の温度と圧力で特定の相のみが可能です。形成される相の数と種類を予測することは難しく、通常は実験によって決定されます。このような実験の結果は、状態図にプロットできます。
ここで示す状態図は、単一成分システムのものです。この単純なシステムでは、起こり得る相は圧力と温度のみに依存します。マークは、2 つ以上の相が平衡状態で共存できる点を示しています。マークから離れた温度と圧力では、平衡状態にある相は 1 つだけになります。
図では、液体と気体の境界を示す青い線は無限に続くのではなく、臨界点と呼ばれる点で終わっています。温度と圧力が臨界点に近づくにつれて、液体と気体の特性は次第に似てきます。臨界点では、液体と気体の区別がつかなくなります。臨界点を超えると、液体と気体の相は分離しなくなり、超臨界流体と呼ばれる一般的な流体相のみになります。水では、臨界点はおよそ 647 K (374 °C または 705 °F) および 22.064 MPaで発生します。
水相図の珍しい特徴は、固体-液体相線 (緑の点線で示されています) が負の傾きを持つことです。ほとんどの物質では、濃い緑の線で例示されているように、傾きは正です。水のこの珍しい特徴は、氷の密度が液体の水よりも低いことに関係しています。圧力を上げると、水はより高密度の相に押し上げられ、溶解を引き起こします。
状態図のもう一つの興味深い特徴は、固相線と液相線が液相線と気相線と交わる点です。この交点は三重点と呼ばれます。三重点では、3 つの相すべてが共存できます。
実験的には、複数の相が形成されるときに生じる温度と圧力の相互依存性のため、相線をマッピングするのは比較的簡単です。ギブスの相律は、異なる相がこれらの変数によって完全に決定されることを示唆しています。ピストンを備えた密閉された十分に断熱されたシリンダーで構成される試験装置について考えてみましょう。温度と圧力を制御することにより、システムを相図上の任意の点に移動させることができます。固体安定領域 (図の左側) の点からシステムの温度を上げると、圧力に応じて液体または気体が平衡相である領域に移動します。ピストンをゆっくり下げると、システムは相図の気体領域内で温度と圧力が上昇する曲線を描きます。気体が液体に凝縮し始める点で、温度と圧力の曲線の方向が突然変わり、すべての水が凝縮するまで相線に沿ってトレースします。
界面現象
平衡状態にある 2 つの相の間には、どちらの相とも異なる特性を持つ狭い領域があります。この領域は非常に薄い場合もありますが、液体に表面張力をもたらすなど、重要かつ簡単に観察できる効果をもたらす可能性があります。混合物では、一部の成分が優先的に界面に向かって移動する場合があります。特定のシステムの挙動をモデル化、説明、または理解する観点から、界面領域を別の相として扱うことが効果的な場合があります。
結晶相
単一の物質が、別々の相を形成できる複数の異なる固体状態を持つ場合があります。水はそのような物質のよく知られた例です。たとえば、水の氷は通常、六方晶系の氷 I hで見つかりますが、立方晶系の氷 I c、菱面体晶系の 氷 II、およびその他の多くの形で存在することもあります。多形性とは、固体が複数の結晶形で存在できることです。純粋な化学元素の場合、多形性は同素体として知られています。たとえば、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレンは、炭素の異なる同素体です。
相転移
物質が相転移（ある物質の状態から別の状態への変化）を起こす場合、通常はエネルギーを吸収するか放出します。たとえば、水が蒸発すると、蒸発分子が液体の引力から逃れるときに運動エネルギーが増加し、温度が低下します。相転移を誘発するために必要なエネルギーは、液体を低温に冷却する水の内部熱エネルギーから得られます。したがって、蒸発は冷却に役立ちます。蒸発エンタルピーを参照してください。逆のプロセスである凝縮では熱が放出されます。固体から液体への転移に関連する熱エネルギー、つまりエンタルピーは融解エンタルピーであり、固体から気体への転移に関連する熱エネルギー、つまりエンタルピーは昇華エンタルピーです。
均衡が崩れる
物質の相は伝統的に熱平衡にあるシステムに対して定義されますが、量子多体局在(MBL) システムに関する研究により、平衡から外れた相を定義するための枠組みが提供されました。MBL 相は熱平衡に達することはなく、局在保護量子秩序と呼ばれる現象によって平衡では許されない新しい形態の秩序を許容できます。異なる MBL 相間の遷移、および MBL 相と熱平衡相間の遷移は、その特性が活発に研究されている新しい動的相遷移です。
注記
- ^ そのようなシステムの一つは、上から鉱物油、シリコーン油、水、アニリン、パーフルオロ（ジメチルシクロヘキサン）、白リン、ガリウム、水銀である。このシステムは、45 °Cでは、ガリウムとリンは溶融状態にあります。Reichardt , C. (2006) より。有機化学における溶媒と溶媒効果。Wiley -VCH。pp . 9–10。ISBN 978-3-527-60567-5。
- ^この現象は、 ヘックビニル化における触媒のリサイクルに役立てることができます。Bhanage , BM; et al. (1998) を参照してください。「エチレングリコール - トルエン二相性ヘックビニル化反応における各種金属-TPPTS 錯体触媒の活性と選択性の比較」Tetrahedron Letters . 39 (51): 9509–9512. doi :10.1016/S0040-4039(98)02225-4.
参考文献
外部リンク
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