一般的な材料の臨界温度と圧力
臨界温度とは
定義と意義
臨界温度は化学と熱力学における基本的な概念である。物質が液体として存在できる最高温度のことで、加える圧力に関係なく定義される。この温度を超えると、分子の運動エネルギーが分子間力に打ち勝ち、物質が凝縮して液相になるのを妨げる。臨界温度を理解することは、化学処理装置の設計や材料科学における相転移の研究など、様々な産業応用に不可欠である。
臨界温度と沸点の比較
臨界温度も沸点も相変化を伴うが、両者は異なる概念である。物質の沸点は、その蒸気圧が外圧と等しくなる温度であり、液体から気体への相転移を可能にする。一方、臨界温度とは、どんなに圧力を上げても液相が存在できなくなる閾値のことである。つまり、臨界温度を超えると、物質は圧力だけでは液化できず、超臨界流体としてのみ存在することになる。
臨界温度に影響する因子
分子サイズと相互作用
物質の臨界温度は、分子の大きさと分子間相互作用の強さに影響される。水素結合や双極子-双極子相互作用のような分子間相互作用の強い大きな分子は、一般的に臨界温度が高くなる。このような強い力を克服するためには、より大きなエネルギー（より高い温度）を必要とするため、臨界温度が高くなる。
圧力の影響
圧力は臨界温度を決定する上で重要な役割を果たす。 高圧になると、分子同士はより接近せざるを得なくなり、分子間相互作用が強化されて臨界温度が上昇する。しかし、臨界温度自体は圧力とは無関係に定義され、物質がいかなる圧力下でも液体として存在できる最高温度を表す。
一般的な物質の臨界温度と圧力
次の表は、一般的な物質の臨界温度と臨界圧力を示したもので、熱と圧力に関連する特性の多様性を示している。
|
物質名 |
臨界温度 (°C) |
臨界圧力 (atm) |
|
水 |
374 |
218 |
|
二酸化炭素 |
31 |
73 |
|
メタン |
-82 |
46 |
|
-147 |
34 |
|
|
酸素 |
-118 |
49 |
|
エタノール |
240 |
63 |
|
アンモニア |
132 |
112 |
|
二酸化硫黄 |
157 |
78 |
|
ベンゼン |
289 |
48 |
|
アセトン |
235 |
47 |
よくある質問
臨界温度以上の物質はどうなりますか？
臨界温度以上の物質は、圧力だけでは液化できず、液体と気体の両方の性質を示す超臨界流体として存在します。
臨界温度はどのように測定するのですか？
臨界温度は、圧力制御下で物質の温度を徐々に上昇させ、液相と気相の区別がつかなくなるまで実験的に決定します。
臨界温度はなぜ工業用途で重要なのですか？
臨界温度は、超臨界流体抽出や高圧反応器の運転など、相転移を伴う装置やプロセスを設計する上で極めて重要です。
臨界温度は分子構造を変えることで変えられるのですか？
はい、官能基や鎖長を変えるなど分子構造を変えることで、分子間力の強さに影響を与え、臨界温度を変えることができます。
臨界温度と臨界密度には関係がありますか？
はい、臨界密度とは臨界温度と臨界圧力における物質の密度のことで、臨界点付近での流体の挙動を知ることができます。
