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ノート:異常液体/固化すると体積が増える物質

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概要

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典型的な液体は固化（凝固）する際に体積が減少するが、まれに体積が増加するものがある。このような固体は、融点近くでは加圧により融解する。また、温度と圧力に関して状態図を描くと、固液共存線が負の傾きを持つ[1]。

このような性質をもつ液体は、異常液体と呼ばれることがある。また、ガラス瓶などの中で凝固すると容器を破裂させることがある。

これは、結晶構造に隙間が多く、分子が自由になる液体状態の方がかえって高密度になるためである。固化すると体積が増える物質は、結晶を構成する原子あるいは分子の配位数が少ない、ダイヤモンド結晶構造(閃亜鉛鉱構造、配位数4)やロンズデーライト結晶構造(ウルツ鉱構造、同)をとるものが多い。(ただし、ダイヤモンドは通常の物質と同様、固化すると体積が減少する。炭素の項を参照。)

常圧の水は固化すると体積が増える代表的な物質であり、その性質は地球環境の形成において重要な働きをする。氷は水よりも密度が低いため、湖などでは表面だけが凍って底まで凍らずに済む。また、岩石の割れ目に浸みた水が凍って膨張することで生じる凍結破砕作用は侵食に大きな役割を果たす。ただし、2000気圧以上では結晶構造が変化するため、水が凍る際に体積は小さくなる。

固化すると体積が増える物質の例

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物質 常圧での融点/℃ 固体の密度(g/cm3、融点) 液体の密度(g/cm3、融点) 結晶構造
水 0[2] 0.91671[3] 0.999 84[2] ウルツ鉱構造
ケイ素 1412[2] 2.29[4] 2.52[5] ダイヤモンド構造
ゲルマニウム 937.4[2] 5.22[4] 5.51[4] ダイヤモンド構造
ガリウム 29.78[2] 5.91[6] 6.095[6]
ビスマス 271.4[2] 9.16[7] 10.02[8]
プルトニウム 639.5[2] 16.51[9] 16.63[10]

[2] [3] [5] [4] [6] [9] [10] [8] [7]

脚注

[編集]
  1. ^ https://www.britannica.com/science/liquid-state-of-matter/Behaviour-of-pure-liquids
  2. ^ a b c d e f g h [理科年表 2010年版]
  3. ^ a b “An improved ice calorimeter, the determination of its calibration factor and the density of ice at 0 degrees C”. Journal of research of the National Bureau of Standards 38 (6): 583–591. (June 1947). doi:10.6028/jres.038.038. ISSN 0091-0635. http://dx.doi.org/10.6028/jres.038.038. 
  4. ^ a b c d “Volume changes during melting and heating of silicon and germanium melts”. High Temperature (Springer) 38 (3): 405–412. (1 May 2000). doi:10.1007/BF02756000. ISSN 1608-3156. https://doi.org/10.1007/BF02756000. 
  5. ^ a b “Measurement of the Density of Molten Silicon by a Modified Sessile Drop Method”. Materials Transactions, JIM (jstage.jst.go.jp) 41 (2): 323–330. (2000). doi:10.2320/matertrans1989.41.323. http://dx.doi.org/10.2320/matertrans1989.41.323. 
  6. ^ a b c Budavari, S. (ed.). The Merck Index - An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals. Whitehouse Station, NJ: Merck and Co., Inc., 1996., p. 737
  7. ^ a b “Evidence for a temperature-driven structural transformation in liquid bismuth”. EPL (IOP Publishing) 86 (3): 36004. (20 May 2009). doi:10.1209/0295-5075/86/36004. ISSN 0295-5075. https://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/86/36004/meta 28 February 2022閲覧。. 
  8. ^ a b “The density of liquid bismuth from its melting point to its normal boiling point and an estimate of its critical constants”. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 25 (5): 501–506. (1 May 1963). doi:10.1016/0022-1902(63)80233-X. ISSN 0022-1902. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/002219026380233X. 
  9. ^ a b Baker, Richard D.; Hecker, Siegfried S.; Harbur, Delbert R. (Winter–Spring 1983). “Plutonium: A Wartime Nightmare but a Metallurgist's Dream”. Los Alamos Science (Los Alamos National Laboratory): 148, 150–151. http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?07-16.pdf. 
  10. ^ a b Miner, William N.; Schonfeld, Fred W. (1968). "Plutonium". In Clifford A. Hampel (ed.). The Encyclopedia of the Chemical Elements. New York (NY): Reinhold Book Corporation. pp. 540–546. LCCN 68029938.
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