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化学の問題でヘンリーの法則と気体の状態方程式を使う問題がありますよね。
この時、気体の状態方程式で求めた気体の部分の飽和蒸気圧になりますか?
また、ならないときはなぜならないか教えてください。
よろしくお願いします。

A 回答 (1件)

>気体の状態方程式で求めた気体の部分の飽和蒸気圧


気液二相の場合溶解度ではなく飽和蒸気圧だけです。
ヘンリーの法則は臨界圧以下の気体が他の液体(普通は水)に溶解する場合のみ使用します。
気液二相を持ちうる複数の成分があると話は非常に複雑になります。
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Q気体の状態方程式・ヘンリーの法則

気体の状態方程式はどうして高温定圧のもとでしたがいやすいのですか?
ヘンリーの法則はどうして水に溶けいにくい物質にのみ適用されるのですか?

Aベストアンサー

気体の状態方程式に従う気体のことを理想気体といいます。
状態方程式はボイルの法則と、シャルルの法則、アボガドロの法則を組み合わせたものです。

圧力を上げれば体積が小さくなる、これは誰でも知っています。
ボイルの法則はこの時の体積の減少が圧力に反比例して起こるという内容です。
でも圧力を2倍、3倍、・・・10倍、100倍、・・・
としていったときに体積は1/2、1/3,・・・1/10、1/100、・・・となるでしょうか。
初めのうちはいいでしょうがだんだんと合わなくなるのではないでしょうか。液体とか固体になればもうそれ以上体積が小さくなるということは起こらないとしていいはずですね。液体になってしまうともうそれ以上体積が小さくなるというのが起こらないのであればそれより手前でそういう傾向が出てきているはずです。

気体の体積は温度を上げると大きくなるというのは誰でも知っています。
シャルルの法則はこの時の体積の増加が絶対温度(-273℃を基準にして測った温度)に比例するという内容です。
温度を下げていきます。体積が小さくなります。でもどこかで液体に代わります。それ以上は温度を下げても大きな体積の減少は見られなくなります。液体に代わる温度の手前からシャルルの法則からのずれが見えてくるはずです。液体になったということは分子と分子がくっついたということですから分子と分子の間に力が働いているということです。

荒っぽく言います。
気体の法則は気体が気体でなくなるところでは使うことが出来なくなります。それは圧力が高い、または温度が低いという領域です。逆に言うと気体が気体らしい性質を見せるところは液体になる領域から遠いところ、すなわち、温度が高く、圧力の低いところです。
気体が気体らしく振舞うというのは気体分子が全く自由に運動しているということです。他の分子が存在するということが問題にならないような運動をしているということです。
「こういうイメージに合う領域は?」という考えです。

ヘンリーの法則について
液体の中に気体を無理に押し込んでいきます。
何もない空間から窮屈な空間に無理に押し込んでいくのですから圧力が必要です。気体分子と水の分子の間に特別な仲のよさがなければ溶け方は圧力に比例して決まります。
でも水の分子との間に特別な仲のよさがあれば溶け方は圧力だけでは決まりません。圧力を上げると溶け方は大きくなるでしょうが比例という関係ではなくなります。水によく溶ける気体というのは水分子との間に特別な力が働く物質です。
二酸化炭素、二酸化硫黄、・・・は水との結びつきが強いです。水との間の反応も起こります。
アンモニアも塩化水素も常温で気体です。よく水に溶けます。水に溶かしたものがアンモニア水、塩酸です。

気体の状態方程式に従う気体のことを理想気体といいます。
状態方程式はボイルの法則と、シャルルの法則、アボガドロの法則を組み合わせたものです。

圧力を上げれば体積が小さくなる、これは誰でも知っています。
ボイルの法則はこの時の体積の減少が圧力に反比例して起こるという内容です。
でも圧力を2倍、3倍、・・・10倍、100倍、・・・
としていったときに体積は1/2、1/3,・・・1/10、1/100、・・・となるでしょうか。
初めのうちはいいでしょうがだんだんと合わなくなるの...続きを読む

Qヘンリーの法則がわかりません。

ヘンリーの法則のうち「一定量の液体に溶ける気体の体積は、、、同圧に換算すると→圧力に比例する。その圧力とすると→圧力に関係なき一定。」というものがまったく理解できません。

同圧に換算、その圧力とする、などの言葉の意味(日本語的な意味ではありません)がわかりません。圧縮されているなどの説明もありましたが理解できません。圧力に比例する(同圧に換算した場合だそうですが)のは感覚的にわかります。一定というのは感覚的にもわかりません。結果的に一定などという説明も受けましたが能力のない自分にはよく理解できません。

どなたか、低脳の僕にもわかるように教えてください。本当によろしくお願いします。

Aベストアンサー

ヘンリーの法則自体は
「同温度では溶解度の小さい気体の溶解度は圧力に比例する」ということです。
定量の溶媒に1atmで0.5molとけたとすれば、2atmで1.0atm,3atmで1.5molとけるということです。要するに「比例」しているんです。
しかし、溶解度を体積で表すと、厄介なことになります。なぜなら気体は測定する圧力によって変わるからです。ボイルの法則PV=一定であるように、厳密には圧力に反比例するのです。

これからどうなるかというと,上記の気体の溶解度は1atmで1リットルとけるとすると、2atmで2リットル、3atmで3リットルというのが「ヘンリーの法則」の言うとおりです。ですが、この1リットルとかは1atmで測られたものなのです。ですが、3atmで溶ける気体のリットル量を言うときにわざわざ1atmでの気体のリットル量で言うというのはおかしいですよね。そこで、「ボイルの法則」により気体の体積は圧力に対して反比例することをかんがえると、3atmで溶ける気体3リットル(1atmでの体積)は、"3atm"では「1リットル」でなければなりません。こう考えると、つまりP1(atm)で解けているP1下で測定した気体L1(リットル)は、P2(atm)で解けているP2下で測定した気体L2(リットル)と等しい。つまりL1=L2となるのです。ここでL1とL2の測定が行われた圧力条件がそれぞれP1,P2とことなることに注意してください。

以上のように気体の溶解度を体積で表現する場合ややこしいのでこの上なく分かりづらいです。これをモルなどの測定圧力によらないものに換算して計算すれば後は単なる比例(ヘンリーの法則)で処理できます。
一般的に気体の溶解度が溶媒リットルあたりL(リットル)(標準状態において)と与えられた場合,溶媒(気体の体積ではないことに注意)=L3(リットル)、圧力=P3(atm)において解ける気体の量n(mol)は
n=L/22.4(標準状態での体積)xL3xP3
で求められます。
あとは、聞かれた条件下で状態方程式にnを代入して解ける体積なりで答えればよいのです。

最後に、簡単にまとめておくと、
1.「ヘンリーの法則は溶解度は圧力に比例する」といっている。(ただし、同じ圧力で測定した場合)
2.溶解度が体積で与えられた場合、測定する圧力により体積が異なる点が話をややこしくする。
3.1.2をうまく処理する為には測定する圧力にかかわらず一定である物質量(モル)などで処理した後聞かれている条件下に戻すほうが間違えにくい。(状態方程式が絡む以上、計算はややめんどくさくなるが。)

ということです。

ヘンリーの法則自体は
「同温度では溶解度の小さい気体の溶解度は圧力に比例する」ということです。
定量の溶媒に1atmで0.5molとけたとすれば、2atmで1.0atm,3atmで1.5molとけるということです。要するに「比例」しているんです。
しかし、溶解度を体積で表すと、厄介なことになります。なぜなら気体は測定する圧力によって変わるからです。ボイルの法則PV=一定であるように、厳密には圧力に反比例するのです。

これからどうなるかというと,上記の気体の溶解度は1atmで1リットルとけるとすると、2atmで2リッ...続きを読む

Q蒸気圧ってなに?

高校化学IIの気体の分野で『蒸気圧』というのが出てきました。教科書を何度も読んだのですが漠然とした書き方でよく理解できませんでした。蒸気圧とはどんな圧力なのですか?具体的に教えてください。

Aベストアンサー

蒸気圧というのは、主として常温付近で一部が気体になるような物質について用いられる言葉です。

液体の物質の場合に、よく沸点という言葉を使います。
物質の蒸気圧が大気圧と同じになったときに沸騰が起こります。
つまり、沸点というのは飽和蒸気圧が大気圧と同じになる温度のことを言います。
しかし、沸点以下でも蒸気圧は0ではありません。たとえば、水が蒸発するのは、常温でも水にはある程度の大きさ(おおよそ、0.02気圧程度)の蒸気圧があるためにゆっくりと気化していくためであると説明できます。
また、油が蒸発しにくいのは油の蒸気圧が非常に低いためであると説明できます。

さきほど、常温での水の飽和蒸気圧が0.02気圧であると述べましたが、これはどういう意味かと言えば、大気圧の内の、2%が水蒸気によるものだということになります。
気体の分圧は気体中の分子の数に比例しますので、空気を構成する分子の内の2%が水の分子であることを意味します。残りの98%のうちの約5分の4が窒素で、約5分の1が酸素ということになります。

ただし、上で述べたのは湿度が100%の場合であり、仮に湿度が60%だとすれば、水の蒸気圧は0.2x0.6=0.012気圧ということになります。

蒸気圧というのは、主として常温付近で一部が気体になるような物質について用いられる言葉です。

液体の物質の場合に、よく沸点という言葉を使います。
物質の蒸気圧が大気圧と同じになったときに沸騰が起こります。
つまり、沸点というのは飽和蒸気圧が大気圧と同じになる温度のことを言います。
しかし、沸点以下でも蒸気圧は0ではありません。たとえば、水が蒸発するのは、常温でも水にはある程度の大きさ(おおよそ、0.02気圧程度)の蒸気圧があるためにゆっくりと気化していくためであると説明できま...続きを読む

Qスクロースの構造

スクロースの構造について質問です。
スクロースは、αグルコースとβフルクトースから成っていますが、それが、結合して、スクロースとなったときの、上下関係が?です。
立体構造を平面で書いているので、?です。問題は、スクロースの構造式を書けなのですが、私が書いたのと解答では、βフルクトースが上下逆転していました。が、どうして解答のようになるのかわかりません。

βフルクトースには、エーテル結合がありますよね?で、グリコシド結合をつくる、2番炭素に結合しているOHとoはβフルクトースの段階では同じ側にあります。が、スクロースとなったときには、そのoh基とフルクトースのoが逆の側にあります。つまり、なんだかフルクトースはひっくりかえっているような気がします。ですが、これはおかしくないでしょうか。どうして、逆転するんでしょうか?

私のスクロースの書き方は、
まず、βフルクトースの段階で、エーテル結合が上、2番炭素が右にあるとすると、ヒドロキシ基は、右上にあるので、アルファグルコースと結合させるために、ヒドロキシ基は左下にこないといけないので、βフルクトースを左右に逆転させ、その後、上下に逆転させます。これで、ヒドロキシ基が左下にきました。このとき、エーテル結合は下にきます。が、解答では、上にくるのです。。。

かなりわかりにくい説明ではありますが、どなたかご存知の方アドバイスをよろしくお願いいたします。

スクロースの構造について質問です。
スクロースは、αグルコースとβフルクトースから成っていますが、それが、結合して、スクロースとなったときの、上下関係が?です。
立体構造を平面で書いているので、?です。問題は、スクロースの構造式を書けなのですが、私が書いたのと解答では、βフルクトースが上下逆転していました。が、どうして解答のようになるのかわかりません。

βフルクトースには、エーテル結合がありますよね?で、グリコシド結合をつくる、2番炭素に結合しているOHとoはβフルクトースの段...続きを読む

Aベストアンサー

No.2,No.5です。

> 私の書いた図のようになると思うのですが。。。

すみません、その通りです。
No.2とNo.5で同じものを描いているはずなのに、違っていました(汗)
大変失礼致しました。


> 「「A→B」を軸とした回転」とは、面ABを軸とした上下の回転ということでしょうか?

いえ、面ではなく、『「Θ」を中心点とした回転』です。
(より正確には、『「3-4」の結合の中点』と『環内酸素』を結ぶ直線を軸とした回転;
 軸を真上(又は真下)から見ているので、Θという点になって見えている、ということ)

「団扇(うちわ)」の紙部分に糖の環が描いてあったとしたら、その団扇の柄の部分を
両手で挟んで回すような感じの回転になります。
(或いは竹とんぼを飛ばすときのような・・・といっても、竹とんぼになじみがない
 でしょうか・・・(汗))

Q過冷却について

過冷却はなぜ起こるのですか?
現象としの理論は大体わかったのですが、それがエネルギー的にどうなのか、がいまいちつかめません。
教えてください。

Aベストアンサー

過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

過冷却現象はエネルギー的な安定の観点からだけでは説明できません。動的な成長理論(核発生理論)を考えて初めて説明されます。
エネルギー収支からの検討は「ある温度(と圧力)のもとで、その物質はどんな状態として存在するのが一番安定か」を教えてくれます。例えば氷点下1℃なら「水は固体として存在するのが安定」です。しかし「どれくらいの時間をかけたらその状態に至るのか」は教えてくれません。その状態に1秒で移行するかも知れませんし、1億年かかるかも知れません。

「熱力学的に安定ではないのだが存在できている」例で、一番分かりやすいのがダイヤモンドでしょう。常温常圧における炭素の安定相はグラファイトでありダイヤモンドではありません。ダイヤモンドは本来、常温常圧では存在してはいけない物質なのです。
しかしダイヤモンドがグラファイトに転化するには、とんでもなく高いエネルギー障壁を乗り越えて構造を組み換えねばなりません。この組み換えが起こる確率は非現実的なほどに低いので、事実上常温常圧でもダイヤモンドはダイヤモンドのまま存在できます。

0℃以下になった水も、その安定相は当然に固体である氷です。ところが上記のダイヤモンド→グラファイトの場合と同様、水が氷に変化するにはある障壁を乗り越えなければなりません。実際にはその障壁は大して高くないので水を凍らせるのは別に難しくないのですが、いずれにしても「きっかけが必要」とは言えます。
水に限らず液相→固相の変化において、このきっかけ(あるいは障壁)に相当するのが「核発生」です。核発生理論についてはすでに十分な検討がなされ、学説としては確立しています。

いま液体が融点以下に冷やされて、下の図のように液体の中に小さな固体の粒(核)が発生したとします。この粒は大きく成長できるのでしょうか、それともやがて消滅してしまうのでしょうか。

 液体
   / ̄\
   │固体 │
   \_/

この場合のエネルギー収支を考えてみると
・液体が固体になったことによりエネルギー的に得した分(潜熱放出)

・液体と固体との境界が生じたことによりエネルギー的に損した分
があります。後者のことを「界面エネルギー」などと呼びます。界面エネルギーの概念はややなじみにくいかとも思いますがとりあえずは、異なる相が接している場合にその部分に余分なエネルギーが必要になる、と理解すればよいでしょう。
さて、液体が固体になったことによる自由エネルギー低下分は固体部分の体積、すなわち半径の3乗に比例します。後者は表面積に比例しますから、結局半径の2乗に比例します。これらを差引きして考えると、半径rが大である核ほどエネルギー的に安定であることになります。逆に小さな核はエネルギー的に不安定なため、やがて消滅してしまうことになります。
「小さな核はやがて消滅してしまうのであれば、いつまでたっても核は成長できないのではないか?」
これもおっしゃる通りです。しかし実際には核は生成します。それはどういうことかと言うと、分子は常に離合集散を繰り返しているわけですが、その集合体がたまたま生き残れるために必要な大きさに(確率的に)達したとすると、その先は安定して成長できるようになるからです。

もう少し、数式も取り入れながら説明したいと思います。
いま液相中にnモルの固相が析出し半径rの結晶相(固相)が発生したとします。その場合の自由エネルギー変化ΔG(n)は
ΔG(n)=4πr^2 γ-nΔμ  (1)
と表されます。γは液相-固相の界面エネルギー、Δμは1 molあたりの自由エネルギー変化です。Δμは過飽和度(過冷却度)の関数であり、過飽和度が大きくなればΔμも大きくなります。

析出する結晶相を球形に近似すれば、結晶相のモル体積をνとして
ΔG(r)=4πr^2 γ-(4πr^3 Δμ)/3ν  (2)
と表されます。
(2)をrで微分して0に等しいとおくと、ΔG(r)が極大をとるrの値が
r=2γν/Δμ  (3)
と求まります。
このrの値を臨界半径(臨界曲率半径)などといいr*で表します。これ以上大きいサイズの原子クラスター・分子クラスターであれば、大きくなればなるほど自由エネルギーが下がりますから安定して成長することができます。
Δμを大きくすれば、換言すれば過冷却度を大きくすればr*は小さくなり、確率的なゆらぎで発生した核は小さいものでも生き残れるようになります。よって水の場合、0℃ではすぐに凍らなくとも、-1℃、-2℃と温度を下げればΔμが大きくなり、ついには発生した核が安定して成長し次々と凍ることになります。これが過冷却現象の正体です。
核発生についてご興味があれば参考ページの[1]などもご覧ください。

ついでに、正しい知識について整理しておきましょう。
水を0℃以下の場所に置けばいずれはその場所と同じ温度になるのは確かです。そしてその温度になるのであれば、どれだけ時間がかかろうとも最終的には凍ります。大気圧で0℃以下の環境における水の安定相は、液体でなく固体だからです。「大気圧で0℃以下の環境で、液体の水は平衡状態にはない」なんて当たり前のことを言っているに過ぎません。
過冷却によって0℃以下の水が液体の状態を取りうるのは事実ですが、それは過渡的な現象に過ぎません。「いずれは」と言うなら仮に過冷却がおきようとも、水は最終的に「氷になる」というのが正しい帰結です。過冷却がおきたからといって、0℃以下の環境において水が安定相となることはあり得ません。

また過冷却の水が凍り始めれば確かに潜熱を放出し水の部分の温度は上がります。しかし水の部分の温度が0℃になったからといって凝固が停止するわけではありません。0℃(より厳密に言うなら水の融点)において、水と氷は任意の割合で共存できます。「過冷却状態の水の当初の温度によって、0℃になった時の氷水の氷/水の分量が違ってくる」というのは何かの間違いでしょう。水/氷の系と外界との間にエネルギーのやり取りがないなら分量は変わってきますが、今は「系を0℃に保つ」という条件を付けているのですから、系と外界との間にエネルギーのやり取りがあることは前提となっています。
「-80℃の過冷却状態の水なら、わずかの刺激で全部凍る」というのは間違いではありませんが、「-80℃より高温の過冷却状態の水なら、必ず水の部分が残る」というのは間違いです。上記と同様に外界との間にエネルギーのやり取り(具体的には系からの熱の排出)があるからです。外界とのエネルギーのやり取りがない(完全断熱条件)なら正しいです。

【参考ページ】
[1] 核生成 http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13
「第3章 無容器浮遊溶融プロセシング 資料(2)」のpdfファイルをダウンロードしてお読み下さい。

参考URL:http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13

過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

過冷却現象はエネルギー的な安定の観点からだけでは説明できません。動的な成長理論(核発生理論)を考えて初めて説明されます。
エネルギー収支からの検討は「ある温度(と圧力)のもとで、その物質はどんな状態として存在するのが一番安定か」を教えてくれます。例えば氷点下1℃なら「水は固体として存在...続きを読む

Q水素結合の数の決定要因は?

水とフッ化水素の沸点の違いは「フッ化水素は1分子あたり2本、 水は4本の水素結合を作ることができるから。」で説明されますが、なぜフッ化水素は1分子あたり2本、水は4本の水素結合を作るのでしょうか?
電子軌道に原因があるのでしょうか?

Aベストアンサー

>これを水分子で考えると、
水分子では2つの水素原子から電子を引っ張っているので
そのデルタマイナスを打ち消す(つりあわせる、安定化させる)
だけのデルタプラスを得るには、二つの(水分子由来の)水素原子と
引き合う必要がある・・・ということでしょうか?
こうなると、アンモニアの場合は、、、3つの水素結合・・・???

ある意味、その通りです。
例えば以下のpdfファイルを参照してください。
http://db1.wdc-jp.com/msf/ps2007/jp/download_file.php?flag=1&subject_no=3B12
ここに書いてあるのはクラスターのことですので固体のアンモニアとは厳密には異なりますが、水素結合を3本作ることができるのはわかると思います。
ただし、注意していただきたいのは、「電荷的なつり合い」だけでみると3つの水素結合を作ることが「できる」というだけです。
軌道の方向はローンペアのついてる方向に伸びているので、この水素結合の構造はとても無理のある構造で、不安定なものになっています。
ただでさえ、弱い水素と窒素の水素結合ですから、こういう無理のある水素結合はさらに弱い結合だと考えてよいと思います。
ただ、こういった水素結合はアンモニア分子が相当ギシギシに詰まった状態(超低温、高圧力)でしかできないと思います。普通の状態では、軌道の向いてる方向への水素結合がメインで作られていると考えてまず間違いないでしょう。専門家の間でもいまだ議論になっている、という可能性もありますが、文献や論文を調べてみるとアンモニアの氷構造が書いてあるものもどこかにあるかもしれません。
こういう意味ではローンペアの軌道の数と電荷の釣り合いが同時に達成されている「水」という分子の特殊性にますます魅力を感じざるを得ないですね。

>これを水分子で考えると、
水分子では2つの水素原子から電子を引っ張っているので
そのデルタマイナスを打ち消す(つりあわせる、安定化させる)
だけのデルタプラスを得るには、二つの(水分子由来の)水素原子と
引き合う必要がある・・・ということでしょうか?
こうなると、アンモニアの場合は、、、3つの水素結合・・・???

ある意味、その通りです。
例えば以下のpdfファイルを参照してください。
http://db1.wdc-jp.com/msf/ps2007/jp/download_file.php?flag=1&subject_no=3B12
ここに書いて...続きを読む

Q酸の強さと酸化力について

酸の強さと酸化力について
塩酸は強酸だが酸化力はないと書いてありました。
つまり、酸の強さと酸化力は関係がないということですよね。

「酸の強さ」とは何によって定まるのかと思い調べたら

「pKaの値が・・・」と出てきましたが、化学Iの理論化学と無機化学が終わった段階なので
これはたぶん習っていません。
何によって酸の強さは決まるのですか?
また、これを習っていない場合、酸の強さは覚えるしかないのでしょうか?
出てくる酸は「塩酸」「硫酸」「硝酸」くらいですが。


酸化力について
これも何によって定まるのかが分かりません。
覚えるものなんでしょうか?

最後に・・・
酸の強さと酸化力について、違いを教えてください。

Aベストアンサー

酸の強さは、水素イオンの濃度の濃さです。pHなどでこれをあらわします。

酸化力とは反応物を酸化させる(電子を奪う)力があるものを表します。
酸化力のある酸というのは、水素イオンと対になっている部分のイオンに酸化力があるものを示します。
たとえば、塩酸であれば塩化物イオンCl-がそれに該当しますが、これは酸化反応を起こしません。(反応時に反応物から電子を奪わない。)なので、塩酸は酸ではある(水に溶かすと水素イオンを出す)が、酸化力はありません。
しかし、硝酸や熱濃硫酸の場合は、硝酸イオンなどが反応物を酸化させる(反応物から電子を奪う)い、なおかつ水溶液中で水素イオンを出すので、酸化力がある酸という表現を使います。


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