物理変化の定義と化学変化との違いに関する科学的考察

物理変化（ぶつりへんか、英語：physical change）とは、物質の形態や状態が変化するものの、その物質自体の材質や化学組成が変わらない現象を指す自然科学用語です。化学変化や核反応とは異なり、原子そのものの結合の組み替えを伴わず、主に分子や粒子の位置関係、配列、形態の変化として現れます。

主な具体例

物理変化として分類される現象には、日常的なものから工業的・科学的なものまで幅広く存在します。

• 物体の変形、伸縮、切断、分裂、および接合
• 固体粒子と液体、あるいは固体粒子同士の目に見える混合
• 分子レベルでの溶解、液体同士の混合、気体同士の混合
• 固相・液相・気相の間における三態の変化（状態変化）

他の変化との比較

物質に生じる変化は、関与するエネルギーの規模やミクロな仕組みによって分類されます。物質の材質自体が変化するものには化学変化や核反応、素粒子反応があります。

ミクロな視点では、原子間の結合の組み替えが起こる現象が化学変化であるのに対し、分子の位置や配列のみが変化するのが物理変化です。いずれの変化においても原子自体は変化しませんが、原子が別の原子に変化する現象は核反応に分類されます。また、1モルあたりの関与するエネルギーの大きさは、一般に「物理変化 ＜ 化学変化 ＜ 核反応」の順に大きくなります。

自然科学における学問的分類では、化学変化を扱う分野を化学、物理変化を扱う分野を物理学または物理化学、核反応や素粒子反応を扱う分野を物理学としています。

物理変化と化学変化の境界領域

物質の多様な振る舞いの中には、厳密に物理変化であるか化学変化であるかの二分法を適用することが困難な境界事例も存在します。次のような事例では、どちらか一方のみに分類することが必ずしも建設的ではないとされています。

• イオン性化合物の水への溶解：塩などのイオン性化合物を水に溶かすとイオンに解離しますが、これは化学変化としての側面も持ちます。しかし、その溶解挙動は分子性化合物の溶解と連続的であり、明確な区別が難しい場合があります。
• 結晶水の吸脱着：結晶水が出入りする現象は、化学結合と物理的保持の両方の側面を含んでいます。
• 合金の形成：合金において、任意の割合で混合し性質が連続的に変化する場合は固溶体と呼ばれ物理的混合物とみなされますが、特定の比率で相が生じる場合は化合物が形成されたと解釈されます。
• 固体の相変化：ダイヤモンドと黒鉛間の相転移、合金系の相転移、地球科学におけるマントルや岩石の相転移などが挙げられます。
• DNAの構造転移：DNAの二本鎖と一本鎖の間の転移なども、単純な二分法では捉えきれない複雑な構造変化を含んでいます。