1.3: 物質の分類

Pure Substances and Mixtures

A pure chemical substance is any matter that has fixed chemical composition and characteristic properties. 例えば、酸素は25℃では無色無臭の気体であり、純粋な化学物質である。 しかし、純粋な物質からなる試料はほとんどなく、多くは混合物である。混合物とは、2種類以上の純粋な物質をさまざまな割合で組み合わせたもので、個々の物質が同一性を保っているものである。 空気、水道水、牛乳、ブルーチーズ、パン、土はすべて混合物である。 ある物質のすべての部分が同じ状態にあり、目に見える境界がなく、全体として均一である場合、その物質は均質であると言えます。 私たちが呼吸している空気や、飲んでいる水道水などが、この「均質な混合物」の例です。 均質な混合物は溶液とも呼ばれます。 空気は窒素、酸素、水蒸気、二酸化炭素などの気体の溶液であり、水道水は水の中に少量の物質が含まれた溶液である。 例えば、アイダホ州ボイシの水道水とニューヨーク州バッファローの水道水の組成は同じではありません。 私たちが目にする溶液のほとんどは液体であるが、溶液には固体もある。 現在も一部の歯科医が虫歯の充填に使用している灰色の物質は、水銀を50%、銀、スズ、銅を主成分とし、亜鉛と水銀を少量含む粉末を50%含む複雑な固溶体です。 2 種類以上の金属の固溶体は一般に合金と呼ばれます。

材料の組成が完全に均一でない場合、それは不均質です (たとえば、チョコレートチップクッキー生地、ブルーチーズ、土など)。 均質に見える混合物も、顕微鏡で調べると不均質であることがよくあります。 例えば、牛乳は一見均質に見えますが、顕微鏡で見ると、明らかに水中に分散した脂肪とタンパク質の小さな球体から構成されています。 不均質な混合物の成分は、通常、簡単な方法で分離することができます。 水中の砂やお茶の葉のような固液混合物は、濾過によって容易に分離できる。濾過とは、固体粒子よりも小さな穴や孔を持つ濾過器のようなバリアに混合物を通すことである。 また、砂糖と塩のような2種類以上の固体の混合物も、原理的には顕微鏡による検査と選別で分離することが可能である。 しかし、川砂利から金塊を分離するパンニングのように、通常はもっと複雑な操作が必要である。 まず、川の水から固形物を濾過し、検査によって固形物を分離する。 金が岩に埋まっている場合は、化学的な方法で分離しなければならないこともある

図 1.2.2: 不均質な混合物。 顕微鏡で見ると、全乳は実際には水中に分散した脂肪とタンパク質の球体からなる不均質な混合物であることがわかる。 図はWikipediaの許可を得て使用しています

不均質な混合物（溶液）は、沸点の違いなど、何らかの物理的性質の違いに依存した物理プロセスによって、その構成物質に分離することができます。 このような分離法には蒸留と晶析の2つがある。 蒸留は、ある温度で物質が気体になりやすいかどうかという揮発性の違いを利用したものであり、晶析は、ある温度で物質が気体になりやすいかどうかという揮発性の違いを利用したものである。 少なくとも1つが液体である混合物を分離するための単純な蒸留装置。 最も揮発性の高い成分が最初に沸騰し、水冷式コンデンサーで凝縮して液体に戻り、そこからフラスコに流れ込む。 例えば塩と水の溶液を蒸留した場合、より揮発性の高い成分である純水は受けフラスコに集まり、塩は蒸留フラスコに残る。

図1.2.3: 食塩の水溶液の蒸留。 塩の水溶液を蒸留フラスコで沸騰するまで加熱する。 得られた蒸気は揮発性の高い成分（水）を多く含み、コールドコンデンサで凝縮して液体になり、受器に集められる。

沸点の異なる2種類以上の液体の混合物は、より複雑な蒸留装置で分離することが可能である。 例えば、原油を精製して、航空燃料、ガソリン、灯油、軽油、潤滑油（揮発性の高いものから順に）などを製造することができる。 また、ブランデーやウイスキーなどの蒸留酒も製造されている。

結晶化とは、溶解度の差に基づいて混合物を分離することであり、特定の液体の一定量にどれだけ固体物質が溶解したままかを示す尺度である。 ほとんどの物質は温度が高いほど溶けやすいので、2つ以上の物質の混合物を高温で溶かし、ゆっくり冷やすとよい。 また、溶媒と呼ばれる液体を蒸発させることもある。 いずれの場合も、溶解した物質のうち最も溶けにくいもの、つまり溶液中に残りにくいものが通常先に結晶を形成し、この結晶は残った溶液からろ過によって取り除くことができます。

図 1.2.4 酢酸ナトリウムの濃厚溶液から結晶化する様子。 小さな「種」結晶(a)を添加すると、化合物は白い結晶を形成し、それが成長して最終的にはフラスコの大部分を占めるようになります。 動画はこちらからご覧いただけます。 https://www.youtube.com/watch?v=BLq5NibwV5g

ほとんどの混合物は、元素または化合物である純物質に分離することができます。 灰色で金属性のナトリウムのような元素は、化学変化によってより単純なものに分解できない物質です。白色で結晶性の塩化ナトリウムのような化合物は、2つ以上の元素を含み、通常それを構成する元素とは異なる化学的および物理的特性を有しています。 ごく一部の例外を除き、特定の化合物は、その起源や歴史に関係なく、同じ元素組成（同じ元素が同じ割合で含まれていること）を持っています。 物質の化学組成は、化学変化と呼ばれるプロセスで変化する。 ナトリウムと塩素のような2つ以上の元素が塩化ナトリウムという化合物に変化することは化学変化の一例であり、しばしば化学反応と呼ばれる。 現在、約115種類の元素が知られているが、この115種類の元素から数百万種類の化学物質が調製されている。 既知の元素は周期表に記載されています。

一般に、逆化学反応により化合物は元素に分解されます。 たとえば、水（化合物）は、電解と呼ばれるプロセスによって水素と酸素（両方とも元素）に分解することができます。 電気分解では、電気が化合物を構成元素に分離するのに必要なエネルギーを供給する(図1.2.5)。 同じような手法で、化合物の混合物である鉱石から、元素の一つである純粋なアルミニウムを得ることができる。 電気分解には大きなエネルギーが必要なため、純アルミニウムの製造には電気代が最も大きな費用となる。 このように、アルミニウムのリサイクルは、費用対効果に優れ、環境にもやさしいのです。 物質の全体構成と混合物を分離する方法を図1.2.6にまとめた。 物質の種類と混合物を分離するための方法の関係