化学入門
学習目標
- 密度と体積の関係を説明する
キーポイント
- 物質の体積は、定義された場所に存在する物質の量に関係します。 密度と体積の関係
キーポイント
- 物質の体積は、定義された温度と圧力で存在する物質の量に関係する。
- 物質の体積は、メスフラスコやメスシリンダーなどの体積測定用のガラス器具で測定することができる。
- 密度は、定義された温度と圧力において、特定の体積を占める物質の量を示す。
- 水が凍ると、その固体（氷）は液体の水よりも密度が低くなり、液体の水の上に浮くので、水は珍しい存在です。
用語
- 密度一定の体積に含まれる物質の量の尺度
- 体積長さ、幅、高さからなる空間の3次元的な尺度の単位。
体積と密度
物質の特性は、さまざまな方法で説明することができます。 どのような量の物質であっても、体積があります。 大きさの異なる2つの水の容器があれば、それぞれの容器には異なる量の水が入っていることになります。 体積の単位は、SIの長さの単位から派生したもので、SIの基本的な測定ではありません。
2つの水のサンプルの体積が異なっていても、密度という共通の測定値があります。 密度もまた、SI基本単位に由来する測定値です。 物質の密度は、単位体積あたりの質量として定義されます。 この例では、それぞれの水の体積が異なるため、特定の固有の質量を持っています。 水の質量はグラム（g）またはキログラム（kg）で表され、体積はリットル（L）、立方センチメートル（cm3）、またはミリリットル（mL）で表されます。 密度は質量を体積で割って算出されるため、密度は質量／体積の単位であるg／mLで表されます。
計測ツール
台所で料理をしたことがある人なら、何らかの計量カップを見たことがあるでしょう。 メジャーカップは、液体の体積を標準的なSI単位であるリットルとミリリットルで表します。
容積測定用ガラス器具
実験室で働く科学者は、容積測定用ガラス器具と呼ばれる典型的な実験用ガラス器具に精通していなければなりません。 ビーカー、メスフラスコ、三角フラスコ、メスシリンダーなどがあります。
水の密度
異なる物質は異なる密度を持っているため、密度は物質を識別する方法としてよく用いられます。 また、2つの物質の密度を比較することで、物質がどのように相互作用するかを予測することもできます。
Using Water as a Density Comparison
水の中に物を入れると、その物の相対的な密度によって浮くか沈むかが決まります。 物体の密度が水よりも低ければ、水の上に浮かびます。 密度の高いものは沈みます。 例えば、コルクの密度は240kg/m3なので、浮きます。 空気は密度が約1.2kg/m3なので、すぐに水柱の上に上がってしまいます。 金属のナトリウム（970kg/m3）とカリウム（860kg/m3）は、どちらも水に浮きますが、鉛（11,340kg/m3）は沈みます。 アルキメデスと金の王冠の話王冠は純金でできているのか？ 古代ギリシャの王は、金細工師に騙されていないかどうかを知りたいと考えます。 アルキメデスを呼んで、密度を使って金属を調べることにした。
液体は、水に加えると層を形成する傾向があります。 糖アルコールのグリセリン(1,261kg/m3)は、十分に混ぜるまでは水の中に沈んで別の層を形成します(グリセリンは水に溶けます)。 植物油（約900kg/m3）は水に浮き、どんなに激しく混ぜても水面に層を作って戻ってきます（油は水に溶けません）。
水の密度の変化
水自体は複雑でユニークな分子です。 圧力が一定であっても、温度によって水の密度は変化します。 物質の基本的な形態は、固体、液体、気体（ここではプラズマを除く）の3つであることを思い出してください。 ほとんどの物質は、液体よりも固体や結晶の方が密度が高く、液体の表面に固体を置くと沈みます。
水の温度と密度の関係を見てみましょう。 100℃から始まった水の密度は、4℃までは順調に上昇します。 しかし、その時点で密度の傾向は逆転します。
この単純な事実が持つ意味は非常に大きいものです。湖が凍ると、表面に氷ができて下の液体が凍らないようにすると同時に、冷たい水（温度が約4℃で密度が高い）が下に沈みます。 氷が浮かばなければ底に沈み、さらに氷ができて沈み、湖が固く凍ってしまうのです スキューバダイバーや海水浴客は、このような水温勾配に遭遇することが多く、湖の最下層には約4℃の水層があることもあります。
