今回は飽和蒸気圧の解説です。
飽和蒸気圧を理解するためには、
「気液平衡」の仕組みをきちんと理解しておく必要があります。
気液平衡をきちんと理解していないと、
センター試験の正誤問題などで意外と悩んでしまいます。
ここでは飽和蒸気圧について、
きちんと物理現象がイメージできるように解説します。
ここの内容をきちんと理解すれば、
気液平衡や飽和蒸気圧で何が起こっているかが、
絵に描いたように頭に浮かぶようになります。
問題を解く時の大きな助けになるでしょう。
それでは解説していきます。
目次
飽和蒸気圧とは
飽和蒸気圧を理解するためには、
「気液平衡」の仕組みを理解しておく必要があります。
まずは気液平衡から確認していきましょう。
気液平衡とは
液体の中の分子は熱によって運動しています。
この運動のエネルギーが大きくなり、
分子間力を断ち切って外に飛び出すことで、
分子は気体となります。
しかし逆に、
気体が運動エネルギーを失うと、
分子が液体に絡め取られてしまうこともあります。
それでは以下のように、
密閉容器に水を入れた場合を考えましょう。
最初のうちは気体の水がありませんから、
次々と気体に変わっていきます。
少しずつ気体が増えると、
徐々に気体から液体に戻る分子も現れます。
そしてついに気体から液体に変わる分子と、
液体から気体に変わる分子の数が釣り合うと、
「気液平衡」となります。
気液平衡では何も変化が起こっていないように見えるのです。
このように「本当は動いているけれど、全体は変わらない」が平衡状態です。
飽和蒸気圧の定義
気液平衡の状態では、
温度と体積が一定ならいつも決まったモル数が気体になります。
理想気体の状態方程式PV=nRTを思い出せば、
温度と体積が一定ならいつも決まった圧力
ということもできますね。
気液平衡状態での圧力のことを、
「飽和蒸気圧」といいます。
「モル数が一定なら”飽和物質量”でもよくない？」
と思う人もいるかもしれません。
以下の例を見てみましょう。
左の状態はV[L]の空間にn[mol]の気体が、
右の状態は2V[L]の空間に2n[mol]の気体があります。
このように体積を2倍にしてしまうと、
“飽和物質量”も2倍になってしまうのです。
ここで圧力を計算してみましょう。
飽和蒸気圧はどちらも同じですね。
このように温度を決めれば、
飽和蒸気圧は1つに定まるため、
飽和蒸気圧で考えるのが便利なのです。
飽和蒸気圧の性質
飽和蒸気圧は気液平衡状態の気体の圧力でした。
飽和蒸気圧のイメージを固めるために、
いくつかの具体例を見ながら性質を確認していきましょう。
体積変化と飽和蒸気圧
ピストン付きの容器内で、
飽和状態になっているとしましょう。
このとき、
①体積一定で、温度を上げる
②温度一定で、体積を小さくする
③温度一定で、体積を大きくする
という操作をするとしましょう。
それぞれ飽和蒸気圧と物質量はどうなるでしょうか。
一度自分の頭の中で状態をイメージして、
それから以下を読んでください。
①体積一定で、温度を上げる
温度を上げると分子の運動エネルギーが大きくなります。
よって気体になる分子数が増えていきます。
これによって飽和蒸気圧も大きくなります。
飽和蒸気圧を変化させるには、
このように温度を変化させれば良いのです。
結果的に飽和蒸気圧は上がり、物質量は増えました。
②温度一定で、体積を小さくする
体積を小さくすると、
ぎゅっと縮まって圧力が高くなりそうです。
しかし実際には、
圧力がかかればその分液体に押し込められ、
結局分子の数が減っていきます。
これによって飽和蒸気圧は一定に保たれます。
温度さえ変わらなければ圧力は変化しないのです。
結果的に飽和蒸気圧は一定で、物質量は減りました。
③温度一定で、体積を大きくする
ここまでくれば現象が頭に浮かんでいるでしょう。
体積を増やせば圧力が減りますが、
その分もっと気体になれますから、
どんどん分子の数が増えて圧力が元に戻ります。
結果的に飽和蒸気圧は一定で、物質量は増えました。
蒸気圧曲線
ある物質の飽和蒸気圧は、
温度のみに依存することがわかったと思います。
飽和蒸気圧と温度の関係のグラフにしたものを、
「蒸気圧曲線」といいます。
飽和蒸気圧は物質量や体積には関係なく、
ただ温度だけによって決定されるのですね。
ちなみに蒸気圧曲線は、
状態図の一部を切り取ったものです。
実は新しく覚えることは何もないのですね。
参考：密閉容器だと沸騰しない！？
密閉容器に水と空気を入れて温めてみましょう。
まずは水が沸騰する100℃まで温度を上げてみます。
すると水の飽和蒸気圧は1atmになり、
空気と合わせると2atmになります。
沸騰とは飽和蒸気圧が外の圧力を超えると起こりますが、
飽和蒸気圧1atm>外の圧力2atmで沸騰しません。
では飽和蒸気圧が2atmになるまで温めてみましょう。
飽和蒸気圧は2atmになりますが、
外の圧力も3atmになってしまいます。
となると、
飽和蒸気圧が100atmや1000atmになっても、
その分外の圧力が101atmや1001atmになってしまい、
いつまでたっても沸騰しないということになります。
何100℃、何1000℃に加熱しても沸騰しないのは、
なんとなく面白いですね。
まとめ
今回は飽和蒸気圧の解説でした。
物理現象として何が起こっているかが、
頭でイメージできるようになったでしょうか？
きちんと現象を理解してしまえば、
飽和蒸気圧の問題の計算の部分はおまけに思えてきます。
きちんと復習しておきましょう。
