蒸気圧として、液体または固体の表面を受けるものであるクローズドシステム内の粒子の熱力学的平衡の製品。閉鎖系とは、空気や大気圧に曝されない容器、容器、またはボトルとして理解されます。
したがって、容器内のすべての液体または固体は、蒸気圧特性およびその化学的性質の特性を発揮します。未開封の水のボトルは、液体の表面とボトルの内壁を「突き固める」水蒸気と平衡状態にあります。
炭酸飲料は、蒸気圧の概念を示しています。出典：Pixabay。
温度が一定である限り、ボトル内の水蒸気量に変化はありません。しかし、それが増加すると、圧力が発生し、蓋を撃ち破ることができるようになります。沸騰したお湯でボトルを故意に満たして閉じようとすると起こります。
一方、炭酸飲料は、蒸気圧が意味するもののより明白な（そしてより安全な）例です。覆いを解くと、内部の気液バランスが中断され、ヒスのような音で蒸気が外部に放出されます。その蒸気圧が低いか無視できる場合、これは起こりません。
蒸気圧のコンセプト
蒸気圧と分子間力
同じ条件下で、いくつかの炭酸飲料のキャップを外すと、放出される音の強さに応じて、蒸気圧の高いものを定性的に把握できます。
エーテルのボトルも同じように動作します。オイル、蜂蜜、シロップ、または挽いたコーヒーの山積みではありません。彼らは分解からガスを放出しない限り、目立つ音を立てません。
これは、それらの蒸気圧が低いか無視できるためです。ボトルから漏れるのは気相の分子であり、これは最初に液体または固体にそれらを「トラップ」または粘着性に保つ力を克服しなければなりません。つまり、環境内の分子が及ぼす分子間力または相互作用を克服する必要があります。
そのような相互作用がなかった場合、ボトル内に封入する液体や固体さえありません。したがって、分子間相互作用が弱いほど、分子が無秩序な液体を離れる可能性が高くなったり、固体の秩序だったりアモルファスな構造になったりします。
これは、純粋な物質や化合物だけでなく、すでに述べた飲み物やスピリッツが入ってくる混合物にも当てはまります。したがって、その内容物の組成を知ることで、どのボトルがより高い蒸気圧を有するかを予測することが可能です。
蒸発と揮発性
ボトル内の液体または固体は、キャップが付いていないと仮定すると、継続的に蒸発します。つまり、その表面の分子は、空気とその流れに分散している気相に逃げます。そのため、ボトルが閉じられていなかったり、ポットが覆われていたりすると、水が完全に蒸発してしまいます。
しかし、同じことが他の液体でも起こりません、そしてそれが固体になるとはるかに少なくなります。後者の蒸気圧は通常ばかげているので、サイズの減少が認識されるまでに数百万年かかる場合があります。その間ずっと錆びたり、腐食したり、分解したりしていないと仮定します。
物質または化合物は、室温で急速に蒸発する場合、揮発性であると言われます。揮発性は定性的な概念であることに注意してください。これは定量化されていませんが、さまざまな液体と固体の間の蒸発を比較した結果です。より速く蒸発するものは、より揮発性であると考えられます。
一方、蒸気圧は測定可能であり、蒸発、沸騰、および揮発性によって理解されるものを単独で収集します。
熱力学的平衡
気相中の分子が液体または固体の表面に衝突します。そうすることで、他のより凝縮された分子の分子間力がそれらを止めて保持することができ、したがって、それらが蒸気として再び逃げるのを防ぐ。しかし、その過程で、表面上の他の分子が脱出して蒸気を統合します。
ボトルが閉じている場合、液体または固体に入る分子の数がそれらを離れる分子の数と等しくなる時が来るでしょう。したがって、温度に依存する平衡があります。温度が上昇または低下すると、蒸気圧が変化します。
温度が高いほど、蒸気圧が高くなります。これは、液体または固体の分子がより多くのエネルギーを持ち、より簡単に脱出できるためです。しかし、温度が一定のままであれば、平衡は再確立されます。つまり、蒸気圧の上昇が止まります。
蒸気圧の例
2つの別々のコンテナにn-ブタン、CH 3 CH 2 CH 2 CH 3、および二酸化炭素、CO 2があるとします。20°Cで、それらの蒸気圧が測定されました。n-ブタンの蒸気圧は約2.17 atm、二酸化炭素の蒸気圧は56.25 atmです。
蒸気圧は、Pa、bar、torr、mmHgなどの単位で測定することもできます。CO 2の蒸気圧はn-ブタンの蒸気圧のほぼ30倍です。そのため、一見すると、コンテナを保管できるようにするには、コンテナの耐性を高める必要があります。ひび割れがあると、周囲に乱暴に発砲します。
このCO 2は炭酸飲料に溶けていますが、ボトルや缶から漏れても音が出ない程度に少量です。
一方、ジエチルエーテル、CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3またはEt 2 Oがあり、20 2Cでの蒸気圧は0.49 atmです。このエーテルの容器を開けると、ソーダの容器と同じように聞こえます。その蒸気圧はn-ブタンの蒸気圧のほぼ5分の1であるため、理論的には、n-ブタンのボトルよりもジエチルエーテルのボトルの方が安全です。
解決された演習
演習1
次の2つの化合物のどちらが25°Cを超える蒸気圧を持つと予想されますか？ジエチルエーテルまたはエチルアルコール？
ジエチルエーテルの構造式はCH 3 CH 2 OCH 2 CH 3であり、エチルアルコールの構造式はCH 3 CH 2 OHです。原則として、ジエチルエーテルは分子量が大きく、分子量が大きいため、分子が重いため蒸気圧が低いと考えられます。ただし、反対のことが当てはまります。ジエチルエーテルはエチルアルコールよりも揮発性が高くなります。
これは、CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3のようなCH 3 CH 2 OH 分子が双極子間相互作用によって相互作用するためです。しかし、ジエチルエーテルとは異なり、エチルアルコールは水素結合を形成できます。これは、特に強く方向性のある双極子CH 3 CH 2 HO-HOCH 2 CH 3を特徴としています。
その結果、エチルアルコール（0.098 atm）の蒸気圧は、その軽い分子にもかかわらず、ジエチルエーテル（0.684 atm）の蒸気圧よりも低くなります。
演習2
次の2つの固体のどちらが、25℃で蒸気圧が最も高いと考えられていますか？ナフタレンまたはヨウ素？
ナフタレン分子は二環式で、2つの芳香環を持ち、沸点は218℃です。ヨウ素は、直鎖状で単核のI 2またはIIであり、沸点は184ºCです。これらの特性だけでも、ヨウ素はおそらく蒸気圧が最も高い固体としてランク付けされます（最低温度で沸騰します）。
ナフタレンとヨウ素の分子はどちらも無極性であるため、ロンドンの分散力を介して相互作用します。
ナフタレンはヨウ素よりも分子量が大きいため、その分子は黒く香ばしく、タールのような固体を残すのが困難であると考えることは理解できます。一方、ヨウ素については、濃い紫色の結晶から逃れやすくなります。
Pubchemからのデータによると、ナフタレンとヨウ素の25℃での蒸気圧はそれぞれ0.085 mmHgと0.233 mmHgです。したがって、ヨウ素の蒸気圧はナフタレンの3倍です。
参考文献
- ウィッテン、デイビス、ペック、スタンレー。（2008）。化学 （第8版）。CENGAGEラーニング。
- 蒸気圧。回収元：chem.purdue.edu
- ウィキペディア。（2019）。蒸気圧。から回復：en.wikipedia.org
- 百科事典ブリタニカの編集者。（2019年4月3日）。蒸気圧。百科事典ブリタニカ。リカバリー元：britannica.com
- ニコール・ミラー。（2019）。蒸気圧：定義、方程式、例。調査。回収元：study.com