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蒸気圧：基本と例
はじめに蒸気圧とは？
蒸気圧は熱力学および物理化学の重要な用語で、ある温度における液体または固体の蒸気に対する平衡圧を表します。これは、ある物質がどれだけ蒸発しやすいかを示している。蒸発の速い液体は蒸気圧が高く（例：アセトン）、蒸発の遅い液体は蒸気圧が低い（例：水銀）。
蒸気圧のしくみ
どのような温度でも、液体中の一部の分子は十分な運動エネルギーを持ち、蒸発して気相になります。より多くの分子が蒸発し、その一部が凝縮の過程で戻ってくる。蒸発の速度と凝縮の速度が等しくなる段階で、系は平衡状態にある-与えられた温度における蒸気圧は、この平衡によって記述される。蒸気圧の温度に対する指数依存性は、クラウジウス-クラペイロンの式から導かれる。
蒸気圧に影響を与える要因
1.温度
温度は蒸気圧に最も直接的な影響を与える。温度が上がると分子の運動エネルギーが増大し、より多くの分子が液相から抜け出ることができる。例えば、水の蒸気圧は20℃の17.5mmHgから、標準大気圧下で沸騰する100℃の760mmHgまで上昇する。
2.分子間力
水素結合やファンデルワールス力などの分子間力が大きいと、蒸気圧は低くなる。水素結合を持つ水は、双極子-双極子相互作用の弱いアセトンに比べ、はるかに低い蒸気圧を持つ。
3.物質の性質
分子の形も重要である。分子が軽く極性の低い物質（ジエチルエーテル）は、重く結合の強い物質（グリセロールや水銀）よりも蒸気圧が高い。
蒸気圧の測定方法
1.マノメトリック法
液体を密閉容器に入れ、平衡に達した後、平衡蒸気圧を直接圧力計で測定する古典的な方法である。低圧から中圧で正確な測定値が得られる。
2.ダイナミック法
蒸気の放出に伴う液体の体積または重量の時間変化から蒸気圧を定量化する方法。主に蒸発の早い物質や高温の物質に適用される。
3.エフュージョン法
小さな孔（エフュージョン）から出ていく気体分子の数は蒸気圧に比例して変化する。微小なサンプルや揮発性の物質に適している。
4.クラウジウス・クラペイロン計算法
大半の物質では、直接測定は不可能である。様々な温度における蒸気圧は、実験的に決定された沸点と気化エンタルピーに基づいて、クラウジウス-クラペイロンの式から決定される。
蒸気圧の実際的意義
1.気象学と気候学
蒸気圧は、天気予報や降水において重要なパラメータである湿度に直接関係します。例えば相対湿度(RH)は、任意の温度における飽和蒸気圧に対する実際の水蒸気圧の比である。蒸気圧の正確な測定は、露点、霧、降雨の予測に役立つ。
2.工業・化学工学
蒸気圧、蒸発、化学分離において、蒸気圧は加熱や冷却の際に物質がどのように作用するかを決定する。例えば石油精製では、分留によってヘキサンやトルエンなどの炭化水素を分離する際、蒸気圧の差に依存する。
冷凍では、R134aやアンモニアなどの冷媒は、その蒸気圧特性によって選択される。
3.医薬品用途
揮発性成分を含む製剤は、安定性と保存性を確保するために蒸気圧を考慮する必要があります。例えば、エタノールベースの消毒用ゲルは、効果と蒸発速度のバランスを取るために蒸気圧を制御した製剤を使用しています。
4.環境科学
蒸気圧はまた、揮発性有機化合物（VOC）のような汚染物質が大気中でどのように振る舞うかを決定します。ベンゼンやアセトンのような蒸気圧の高い化合物は、スモッグの形成に大きく寄与するため、環境中では厳しく管理されている。
例とデータ
|
物質名 |
20℃における蒸気圧 (mmHg) |
100℃における蒸気圧（mmHg） |
|
水 |
17.5 |
760 |
|
エタノール |
44.6 |
400 |
|
アセトン |
180 |
760 |
|
メタノール |
95.3 |
1300 |
|
ベンゼン |
75.1 |
450 |
|
ジエチルエーテル |
430 |
5800 |
|
水銀 |
0.0012 |
0.2 |
|
ヘキサン |
150 |
450 |
|
トルエン |
22.3 |
230 |
|
クロロホルム |
160 |
500 |
これらの図は、分子力と温度が揮発性にどのように影響するかを示している。例えば、ジエチルエーテルは蒸気圧が高いため室温ではすぐに沸騰するが、水銀は高温でも不揮発性に近づく。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。
よくある質問
蒸気圧とは何ですか？
蒸気圧とは、ある温度において液体または固体と平衡状態にある蒸気の圧力です。
温度が上昇すると蒸気圧はどのように上昇するのですか？
分子が運動エネルギーを得て分子間力に打ち勝ちやすくなるため、蒸発量が増えます。
なぜ水はアセトンほど揮発しないのか？
水の高い水素結合は、切断により多くのエネルギーを必要とするため、揮発性が低い。
蒸気圧は揮発性を予測できますか？
はい。蒸気圧が高いほど揮発性が高く、蒸発が速い。
なぜ蒸気圧は天気予報に重要なのですか？
湿度、露点、結露の計算に使用され、雨や雲の発生を予測するのに不可欠です。
Chin Trento
