かがくののおと 18


束一的性質

  1. 温度と蒸気圧の関係

     クラジウスークライペイロンの式は,純粋溶媒の温度と蒸気圧の関係を表す,理論式である.

              式18.1

    ここで,p は蒸気圧,Tは温度(K),ΔHvは蒸発エンタルピー ( 蒸発潜熱 ) ( J / mol ),R は気体定数 ( 8.301 J / K mol ).ΔHvが温度に依存しないとして積分すると , (注  蒸発エンタルピーは温度に依存するが,その変化は少ない).  

              式18.2

    が得られる.Cは,積分定数であり,沸点と蒸発エンタルピーがわかっていれば,定めることができる.式18.2を変形すると,

                式18.3

     式 18.3 において,圧力の単位は,任意の単位 ( 1.013 x 10-5 Pa, 1.0 atm, 760 mm Hg) にするこもできる.沸点(1気圧)における蒸発エンタルピーからもとめた積分定数の値C2を,表 18.1 に示してある.たとえば水の場合には,ΔHv = 40.66 kJ/mol, T = 373.15 を代入するとC2 = 13.12 となる. ただし,この表18.1の積分定数の値を使って場合,式18.3から得られる圧力の単位は,気圧である.

     式18.3は,ボルツマン分布の式に類似した形の式になっていることが,興味深い.つまり,式18.3の形は液相と気相の分子の割合が,それぞれの状態のエネルギー差に依存したボルツマン分布に従うことを示している.  さて,蒸発は液体が気体に変わることなので,乱雑さが増加することから蒸発に伴うエントロピーは増大する.水のように配向性の高い液体の場合には蒸発エントロピーは幾分大きくなると予想されるが,蒸発エントロピーは物質によらず一定であることが期待される(ノート17).したがって,蒸発エンタルピーΔHvが不明であっても,沸点がわかっていれば,任意の温度における,蒸気圧を求めることができる.

    表 18.1 1気圧における沸点と蒸発エンタルピー

     物質 沸点(K)   蒸発エンタルピー (kJ/mol) 積分定数 C2
     水  373.15 40.66   13.12
     エタノール 351.7  38.6  13.20
     メタノール  337.9  38.6  13.74
     ヘキサン 341.9  28.85  10.15
     酢酸エチル 350  32.5  11.17

     化学便覧,4th.ed.,丸善,1993

  2. 蒸留

     ラウルトの法則とクラジウスークライペイロンの式を用いると,蒸留によって,どれだけ濃縮や不純物の除去ができるかを,計算することができる.

     たとえば,日本酒を蒸留したとき,得られる焼酎の濃度と量を見積もることができる.(ただし, 水とエタノールの組み合わせは,計算値からはずれます.)

     図18.1 実験用 蒸留装置

  3. 沸点上昇

     ノート16では,気液平衡を扱った.気液平衡状態では,液相から気相に飛び出す分子と,気相から液相に入ってくる分子が釣り合っている.液相に,蒸発しにくい成分(たとえば,NaCl)を加えると,液相から気相に飛び出す分子が減り,蒸気圧が下がる.沸騰は,蒸気圧が1気圧になっている状態であるから,蒸発しにくい成分を加えた溶液を沸騰させるためには,温度をあげなければならない.

     高沸点物質を加えたときの,蒸気圧が低下する割合は,溶液のモル分率から計算することができる.

     高沸点物質を加えたときの,沸点の上昇は,次式で示される.

         δ T =  Kb m   

     ここで,Kbは沸点上昇定数で,溶媒によって決まり,溶質には依存しない.mは,溶質の質量モル濃度である.

     

     表 18.1 凝固点降下定数と沸点上昇定数

     物質 凝固点 ℃ Kf 沸点 ℃ Kb
     水 0 1.853 100 0.515
     アセトン -94.7 2.40 56.29 1.71
     酢酸 16.66 3.90 117.90 2.530
     シクロヘキサン 6.544 20.2 80.725 2.75
         

     化学便覧,4th.ed.,丸善,1993

     

     沸点上昇の説明

     

  4. 凝固点降下

     氷に塩をかけると,温度がさがることは,多くの人が知っている.固相である氷と液相である水の平衡が,塩を加えることによって,より乱雑な状態が優勢になるように移動することで説明させる.

     高沸点物質を加えたときの,凝固点の降下は,次式で示される.

         δ T =  Kf m   

     ここで,Kfは凝固点降下定数で,溶媒によって決まり,溶質には依存しない.mは,溶質の質量モル濃度である.

     凝固点降下の説明

  5.  

  6. 大まかな解釈

     水と塩の場合を考えてみる.水は,氷-水-蒸気と3種類の相がある.塩を加えて均一になるのは,水の場合である.つまり,水は塩水という混合物になるが,氷は水の純粋な結晶であり,塩を含まない.また,塩は,100℃程度では,蒸発しない.氷-水-蒸気の相において,塩が存在するのは,水の溶液中だけである.
     さて,ここで,乱雑な状態が起こりやすいと言うことを,受け入れなければならない.物事が乱雑な状態に変化するというのは,特別なことではなく,極めて自然な変化である.塩と氷に分かれているよりも,氷が水になり,塩を溶かした方が乱雑である.外部との熱の出入りがなく,氷が溶けると,融解エンタルピーの分だけ,温度が低下するのである.同様に,水蒸気と塩では,水蒸気が水になり塩を溶かすと乱雑さが増加する.外部との熱の出入りがなく,水蒸気が水になると,蒸発エンタルピーの分だけ,温度が上昇するのである.よりまともなな説明は,後に述べる,エントロピーや化学ポテンシャルによっておこなわれる.


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Last updated, 12.9, 2001