固体とは（物質の状態）— 定義・性質・融解・昇華をわかりやすく解説

固体の定義と性質、融解・昇華の違いを図解と身近な例でやさしく解説。科学初心者でも理解できる基礎ガイド。

固体は、一般的な物質の3つの状態のうちの1つである。固体の分子は密接に結合しており、振動することしかできない。つまり、固体は明確な形をしており、力が加わったときだけ変化します。これは、ランダムに動く液体や気体とは異なり、流動と呼ばれるプロセスです。

固体が液体になることを「融解」といいます。液体は凍ることで固体になります。ドライアイスのように、先に液体にならずに気体になる固体もあります。これを昇華といいます。

固体の分類と内部構造

固体は内部構造の違いから大きく2つに分けられます。結晶性固体は原子や分子が規則正しく配列した格子（格子点）を持ち、一定の融点や特有の割れ方（結晶割）を示します。一方、非晶質固体（アモルファス）は配列が不規則で、明確な融点を持たないものが多く、ガラスやプラスチックの多くがこれに当たります。

力学的性質（剛性・弾性・塑性）

固体は形を保つ性質（剛性）を持ちますが、外部から力を受けると変形します。変形のうち一時的に元に戻るものを弾性変形、保持されるものを塑性変形と呼びます。弾性の大きさはヤング率やせん断弾性率などで表され、材料ごとに大きく異なります。

融解（メルト）と凝固（フリーズ）について

固体が液体になる温度を融点と言います。融解には熱エネルギーが必要で、このとき吸収される熱を融解熱（潜熱）と呼びます。逆に液体が固体になるときには同量の熱が放出されます。純物質では融点が一定ですが、混合物や不純物があると融点が下がったり、溶け始めから完全に溶けるまで温度が変化することがあります。

昇華（直接気化）

昇華は固体が一度も液体にならずに直接気体になる現象です。代表例はドライアイス（固体二酸化炭素）やヨウ素の昇華です。昇華が起きるかどうかは圧力と温度の条件によります。物質ごとに定められた三重点（固体・液体・気体が共存する点）より低い圧力では、液体状態が存在しにくく昇華が起きやすくなります。

熱的性質と膨張

温度が上がると固体の原子・分子の振動が大きくなり、体積が増えることが一般的です（熱膨張）。多くの材料では線膨張係数でその程度を表します。温度変化が大きい環境では熱膨張を考慮した設計（継ぎ目や伸縮継手など）が必要です。

結晶欠陥と物性の関係

結晶格子は理想的には均一ですが、実際には格子点の欠損や置換、転位などの欠陥（ディフェクト）が存在します。これらの欠陥は機械的強度、電気伝導性、拡散速度など多くの物性に大きな影響を及ぼします。例えば半導体では不純物（ドーピング）を意図的に導入して電気特性を制御します。

日常的な例と応用

• 金属（鉄、アルミニウムなど）：結晶性固体で機械構造材料として広く利用される。
• ガラス：非晶質固体で透明性を利用した窓や光学部品に用いられる。
• プラスチック：多くは高分子のアモルファスや半結晶性固体で、軽くて成形しやすい。
• ドライアイス：昇華により冷却や洗浄、演出などに使われる。

まとめ（ポイント）

• 固体は分子や原子が密に結合しており、明確な形と体積を持つ。
• 結晶性と非晶質で内部構造や物性が異なる。
• 融解は固体→液体、凝固は液体→固体、昇華は固体→気体の変化。
• 温度・圧力・不純物などが相転移や物性に大きく影響する。

さらに詳しく学びたい場合は、相図（圧力−温度図）や結晶学、材料力学の基礎を参照すると、固体のふるまいがより深く理解できます。

固体の種類

固体に含まれる原子間の力は、さまざまな形をとることができます。例えば、塩化ナトリウム（一般的な塩）の結晶は、イオン性のナトリウムと塩素からなり、イオン結合で結合している。ダイヤモンドやシリコンでは、原子が電子を共有し、共有結合を作る。金属では、電子を共有して金属結合を作ります。有機化合物のような固体は、各分子上の電子電荷雲の分極に由来する「ファンデルワールス力」によって結合している。このように、固体の種類による違いは、結合の違いから生じている。

金属

ほとんどの金属は強く、密度が高く、電気と熱の伝導性に優れています。周期表のホウ素からポロニウムまでの対角線より左側の元素の質量が、金属である。大元素が金属である2種類以上の元素の混合物は、合金と呼ばれる。

有史以前から、人々は金属をさまざまな用途に使ってきました。金属はその強度と信頼性から、建物などの製造に広く使われ、ほとんどの自動車、多くの道具、パイプ、道路標識、鉄道の線路などにも使われています。鉄とアルミニウムは、最も一般的に使用されている2つの金属です。また、地殻の中でも最も一般的な金属である。鉄は合金である鋼の形で最もよく使われます。鋼は最大2.1%の炭素を含み、純鉄よりはるかに硬くなります。

金属は電気をよく通すので、電化製品の材料として、また、電流を長い距離、少ないエネルギー損失で流すために重宝されている。このため、電力網は電気を得るために金属製のケーブルを使用しています。例えば、家庭の電気系統は、その優れた伝導性から銅で配線されています。また、ほとんどの金属は熱伝導率が高いため、コンロの調理器具にも使われています。

鉱物

鉱物は、高圧下で多くの地質学的プロセスを経て形成された天然の固体である。鉱物として認められるためには、物質全体が均一な物理的性質を持つ結晶構造を持っていなければなりません。鉱物は、純粋な元素や単純な塩から、非常に複雑な珪酸塩まで、その組成はさまざまであり、数千もの形態が知られています。一方、岩石は鉱物や鉱物のランダムな集合体であり、特定の化学組成は持っていない。地殻の岩石のほとんどは、石英（結晶性SiO₂ ）、長石、雲母、緑泥石、カオリン、方解石、エピドート、カンラン石、輝石、角閃石、磁鉄鉱、赤鉄鉱、リモナイト、その他少数の鉱物を含んでいます。石英、雲母、長石のように一般的な鉱物もあれば、世界の数カ所でしか発見されていない鉱物もあります。鉱物の中で最も大きなグループはケイ酸塩（ほとんどの岩石は95％以上がケイ酸塩）で、その大部分はケイ素と酸素でできており、アルミニウム、マグネシウム、鉄、カルシウム、その他の金属のイオンも含んでいます。

鉄骨レンガ造りで世界一の高さを誇るニューヨークのクライスラービルの頂上部分。


さまざまな鉱物の集合体。

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