相 (物質科学)

熱力学および物理化学において、相（そう、英: phase）とは、化学的組成および物理的状態が全体的に一様な物質系の実体を指す。化学組成や物理的状態が区別できる領域を分かつ境界を持ち、系の中で均質な領域として存在している。

物質の三態と相の概念

気体、液体、固体は物質の基本的な形態として知られており、それぞれ気相、液相、固相に対応する。しかし、単純な三態の区分だけではなく、同一の凝縮相（固体や液体）であっても異なる結晶構造や複数の形態をとる場合があるため、これらを厳密に区別・定義するための用語として「相」が用いられる。

例えば、完全に溶解した食塩水はどの部分を取り出しても組成および物性が一様であるため単一の相からなる。これに対し、水と氷が共存する系では、組成は同一の水分子であっても、固体と液体という異なる物理的状態を示すため、2つの相から構成されている。

多様な相の例

多くの純物質は温度や圧力の条件に応じて固体、液体、気体の状態変化を示すが、固体や液体においてはさらに多様な相が存在する。

• 固相の多様性：硫黄の斜方硫黄と単斜硫黄、炭素のグラファイトやダイヤモンド、炭酸カルシウムの方解石とアラレ石など、同じ物質でも結晶構造が異なる複数の固相が存在する。氷においても、高圧下を含め複数の異なる結晶構造（相）が知られている。
• 複雑な系の相：土壌は固相（土壌粒子）、液相（土壌水）、気相（土壌空気）の三相から構成されている。また、大気中に存在するエアロゾルは、清浄な空気中にも微小な水相や固相を分散させており、環境化学などの分野において重要な相の構成要素として扱われる。

相転移と相図

ある相の温度や圧力を変化させたとき、別の相へと状態が切り替わる現象を相転移と呼ぶ。例えば、1気圧の下で液体の水を冷却または加熱することにより、特定の温度（氷点や沸点）で相の共存状態を経ながら状態が変化する。

また、系内の状態変数（温度や圧力など）を指定した際に、熱力学的にどのような平衡状態でどの相が存在するかを視覚的に示した図を相図と呼ぶ。平衡状態にある系内の相の数と自由度の間には、相律と呼ばれる関係が成立する。