化学の気体分野について質問させていただきます。非常に長くなることが予想されますのでご了承ください。ま

化学の気体分野について質問させていただきます。非常に長くなることが予想されますのでご了承ください。また文章が拙く専門知識についての誤りもあるかもしれませんのでどうか暖かい目で見て頂きたいです。

自分は今まで気体分野についてある程度腑に落ちた理解の元問題を解いてきました。しかしこの問題について回答が自分の考えに反するものがあり自分の考えが間違っているのではないかと思い始めたので質問させていただきます。
1:状態図について
状態図とは縦軸に外圧(分子間の距離)をとり横軸に温度をとる事で分子間力と熱運動エネルギーの関係を表すことができ外部の圧力と温度という条件で物質の上体を一意に表すことが出来るという図であると認識していました。特に縦軸は蒸気圧ではなく外圧である(ピストン容器内に着目物質のみならば外圧=蒸気圧となるが)と強く思っておりました。
2:分圧、分体積の考え方について
混合気体中において実際に各成分気体を圧力や体積で分けるということなど不可能だと思っています。混合気体は混合気体として粒の数、圧力、体積が決まっているのですからそれを分けることは出来ないと思います。しかし問題では成分気体の粒の個数比が重要になってくる訳ですからそれぞれ成分気体を体積、温度一定や圧力温度一定など状況を変えた思考実験をしてあげるとそれが成分気体の粒の個数比(物質量比)になることを利用して計算をする。つまり分圧、分体積は単なる計算方法に過ぎず実際の意味はないと捉えています。(ただしドルトンの分圧の法則、アマガーの分体積の法則については実験をして結果的に実際の混合気体との関係性が生まれたと考えています。)

そこで質問です。下の問題についてなのですが問2で物質量比から分圧比に分けてエタノールの分圧が示す温度をグラフから読み取り答えとしています。
①思考実験で出てきただけの分圧を実際の混合気体に対して用いいることが出来るのが納得できません。
②エタノールにかかる圧力はあくまで外圧ですから分圧で考えているのはおかしいのでは無いでしょうか？

僕のどこが誤りなのでしょうか？知識が浅く訳の分からないことを言っているだけかもしれませんがしっかりと理解をしたいです。詳しい方よろしくお願い致します。

長文や誤りで不快にさせてしまった方にたいしては大変申し訳ありません。

質問者からの補足コメント

• 問題です

  
    補足日時：2019/05/19 20:22

• エタノールの蒸気圧曲線です

  
    補足日時：2019/05/19 20:23

• 解答です

  
    補足日時：2019/05/19 20:23

• アプリの都合上画像が大変見にくいので上げ直します
  すみませんでした

  
    補足日時：2019/05/19 20:26

No.1 ベストアンサー 回答者： むらさめ 回答日時： 2019/05/19 20:50

>1:状態図について

状態図の書き方は色々とありますね。中高で出てくる水や二酸化炭素の状態図においては縦軸圧力、横軸温度が多いです。
私は冶金屋なので金属分野では圧力があまり状態変化に影響を及ぼさず、縦軸に温度、横軸に合金成分が多いです、合金の成分が2元系が多いですが3元系までは3次元で表すことが出来ます。

>①思考実験で出てきただけの分圧
ここが違うように考えます、ドルトンの法則(分体積の法則も)は実際の実験に基づいて1801年に導かれた法則です。
常温常圧付近では、気体は理想気体に挙動がほぼ等しく振舞うので、このような法則(気体の状態方程式も、ドルトンの法則も…)が導かれました。

しかし、もっと後になってから、実験の精度や、物理的な仕事(外圧のことですね)を考えた考察の結果、理想気体と実在気体のズレをどう説明するのかを、議論して違うパラメーターを定義したりしています。
高校の化学ではこの辺はざっくりとしか(ドルトンの法則でしか)教えないので、こんなものだと考えるのが良いように思います。

本当は、物理化学という学問の中で、熱力学･統計力学という学問が気体の性質の理解に必要になってくるのですが、これらは大学の化学系の課程に進まないと教えません。
更に、熱力学や統計力学をより理解しようと思うと、量子力学や量子化学…となります。

②についてはもう一度ドルトンの法則の解説を読んでじっくりと考えてみてください。勘違いしているように感じました。

この回答へのお礼

こんな長文を読んでいただきありがとうございます。
同温同体積下の別々の気体を混合させた時それぞれが示す圧力の和がその混合気体の圧力となるというのがドルトンの分圧の法則だと考えています。
よって混合後それぞれの成分気体についてそれまでと同じように分圧で考えて良い理由が分かりません。

お礼日時：2019/05/19 21:42

No.3 回答者： むらさめ 回答日時： 2019/05/19 23:55

思考実験が先ではなく、17世紀～19世紀の実在気体のでの実験測定が先で、ここの時代にボイルやシャルルの法則・アボガドロの法則が実験により発見成立しています。

全ての気体が同じように振舞うと考えられた事から、気体の状態方程式　PV=nRT　が導かれました。
これには思考事件ではなく、実在気体での実験から導かれました。大筋の幹の部分は実験から求められています。
高校化学で扱う気体は実在気体も理想気体と同じとして扱いますし、常温常圧下では違いは差がないです。
混合気体でも理想気体として扱って問題がないです。
現代の技術で、精密に実験測定すると違いがでると思いますが、私自身はやったことがないです。

アボガドロの法則は、そう考えると上手く説明できることから成立しているので、思考実験といえばそうですが、それでも実験の前後での変化等でデータに基づいています。
でもアボガドロ定数の決定はもっと後ですね。

その後、19世紀中頃から、産業革命による技術の進歩で、高温高圧条件や低温条件で実験を行えるようになった結果、実在気体と状態方程式で示される理想気体とのズレが示されるようになります。
このくらいになると熱力学･統計力学が勃興してきて、気体分子間での引力や斥力、分子の大きさなど、また化学反応なども考慮するようになっていきますが、
これは、また別の学問も導入しなければならないので、今回の質問からは外れてしまいます。
実在気体の状態方程式として有名かなと思うのは、ファンデルワールスの状態方程式等がありますが…単純じゃないです。

中学高校の化学や物理は、歴史的な背景や成立過程を無視して、法則や公式をいきなり教えてしまうのと、説明のしやすさが第一なので、
歴史的に前後していることが結構あります。
19世紀の化学は実験やデータの整理･結果が先で、後追いで理論が整理されていく場面が多いのですが、相対論や量子力学のように思考実験が先ということは少ないように思いますね。

この回答へのお礼

非常深く理解できた気がします。
本当にありがとうございます。
これからも堅実に精進して参りたいと思います。

お礼日時：2019/05/20 01:36

No.2 回答者： むらさめ 回答日時： 2019/05/19 22:29

>混合後それぞれの成分気体についてそれまでと同じように分圧で考えて良い理由が分かりません。

.
最初に気体の状態方程式、を考えないといけないで、
ボイルの法則(1662年)　P1V1=P2V2
シャルルの法則(1802年)　V(T)=KT
ゲイ＝リュサックの法則(1802年頃)　P1/V1=P2/V2
アボガドロの法則(1811年)　同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の分子が含まれる

等があって、特に、ボイルの法則、シャルルの法則、アボガドロの法則の3つから、
気体の状態方程式　PV=nRT　が成立していくのですが、その成立がいつ頃か？は、私は前にも調べたのですが調べきれていません。

そしてこの気体の状態方程式は気体の種類ではなく、物質量(気体分子の数)が変数となっています。
すなわち、混合気体ならば、状態方程式から物質量の比が圧力を決定することにります。
ドルトンの法則の発見は1801年ですから、後から成立した気体の状態方程式で、分圧の理解や解釈が加えられたことになります。
ここら辺は、大学の教科書でも調べないと出ていないですね
そして、これは先程も書きましたが、常温常圧近辺では実在気体が理想気体と同じように振舞うことから、そう教えているのです。

例えば分子間で何かしらの引力が働いたり、分子の大きさが無視できないような場合は、状態方程式から大きく外れるので、方程式で取り扱うことができないです。
補正する式や個々の気体の種類を考慮した変数などは過去の化学者が考えて、文献を探したり大学の教科書を読めば、それらにはいろいろ載っています。

この回答へのお礼

つまり、理想気体であるから思考実験と同じようにして気体を扱うことが出来るということでしょうか？
その場合分体積のような考え方はあくまで思考実験の中で留めておくべきものであり混合気体の中では考えられないということでいいでしょうか？

お礼日時：2019/05/19 23:20