化 学 (物質の状態と変化)

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 【沸点上昇】

 【蒸気圧降下】で紹介したように,蒸気圧が溶媒より低い溶質が溶けた溶液の蒸気圧は,純溶媒の蒸気圧より減少する。すなわち,溶液の飽和蒸気圧が環境の圧力に至るには,純溶媒より高い温度が必要になる。
 飽和蒸気圧が環境の圧力と同じになる温度を沸点という。すなわち,溶液の蒸気圧が減少することは,沸点が上昇することを意味する。
 不揮発性の溶質がわずかに溶けた希薄溶液の沸点が上昇する現象を沸点上昇( elevation of boiling point )といい,純粋な溶媒の沸点と希薄溶液の沸点の差( ⊿ T )を沸点上昇度という。

どの程度上昇するのか?

 希薄溶液で沸点近くの狭い温度範囲を考えれば,純溶媒と溶液の蒸気圧曲線(蒸気圧の温度依存性)は,多くの場合に近似的に曲線の傾きが等しいと考えてよい。
 従って,模式図に示すように,希薄溶液の沸点上昇度(⊿ T : K ケルビン )は,蒸気圧減少(⊿ P )と比例関係にあるとみなすことができる。
 比例係数をαと仮定すると,⊿ T = α⊿ P ≒α K m とできる。ここで,α K = Kb と置くと,溶質の質量モル濃度 m ( mol / kg )との関係は,
      ⊿ T ≒ Kb m
となる。 Kb は,モル沸点上昇といい,溶媒の種類に依存するが,溶質の種類には依存しない値である。単位は K・kg / mol である。
 ただし,溶質が電解質など複数の粒子に分かれる物質の場合は,質量モル濃度 mについては,ファントホッフの因子を導入した補正が必要である。

蒸気圧降下,沸点上昇原理の模式図

蒸気圧降下,沸点上昇原理の模式図


主な溶媒の沸点(℃)とモル沸点上昇( K・kg / mol )
1 気圧( 760 mmHg ,1013.15 hPa )「化学便覧など」
溶媒名 化学式 分子量 沸点(℃) モル沸点上昇
  水 H2O 18.02 99.98 0.515
  メタノール CH3OH 32.04 64.7 0.785
  エタノール C2H5OH 46.07 78.37 1.16
  アセトン CH3COCH3 58.08 56.5 1.71
  ベンゼン C6H6 78.11 80.1 2.53
  クロロホルム CHCl3 119.4 61.2 3.62
  四塩化炭素 CCl4 153.82 76.8 4.48

溶質が電解質の場合

 沸点上昇度は,溶液に溶けている溶質の濃度,言い換えれば粒子の数に比例する。従って,電解質などは,溶質のモル濃度に対し,電離の程度を考慮した補正が必要になる。
 例えば,1 mol の塩化ナトリウム( NaCl )を 1 kg の水に溶解した場合に,塩化ナトリウムの質量モル濃度は 1 mol / kg であるが,水中では,ほぼ完全に NaCl → Na+ + Cl- に電離しているため,質量モル濃度として 2 mol / kg に相当する粒子数が存在することになる。
 
 電解質 AxBy の場合は,水中でAxBy ⇆ xA+ + yB- に解離するが,すべての電解質が完全に解離するとは限らない。そこで,部分的に解離している状態を表現するため,電離度(α)という概念が導入される。
    電離度(α)=(電離している電解質の物質量)/(溶けている電解質全体の物質量)
 完全に解離している場合は,α= 1 になる。
 一般に,電解質の組成式が ( x + y ) 個のイオンからなるとき,電解質 m ( mol / kg ) の溶液の電離度をαとすると,電離後に生じる粒子の質量モル濃度は,m ×{ 1 + ( x + y - 1 ) α}( mol / kg ) になる。
      { 1 + ( x + y - 1 ) α}をファントホッフの因子という。

【参考】

● 沸点( boiling point )
 物質の圧力と液体の飽和蒸気圧が等しくなる温度で,沸騰点ともいう。圧力が 1 気圧( 101.315 kPa )のときの沸点を標準沸点という。
● 電離度( degree of ionization )
 実際に電離している物質のモル比を示したもの。記号 αで表すことが多い。
 電離度が 1 に近い物質を強電解質 ( strong electrolyte ) ,電離度の小さい物質を弱電解質 ( weak electrolyte ) という。
 電離度は,濃度の影響を大きく受けるため,物性の指標としては扱いにくい。

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