3分で簡単気液平衡！現象の仕組みを理系学生ライターがわかりやすく解説！

ライター／通りすがりのペンギン船長

現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻している。これらの学問への興味は人一倍強い。資源材料学、環境化学工学、バイオマスエネルギーなども勉強中。

実験を通して気液平衡について学ぼう！

この記事では、気液平衡とはどのような現象か、気液平衡が関連する身近な現象とはどのようなものかということを解説します。また、気液平衡と関係の深い蒸気圧の概念についても簡単に説明しますね。

気液平衡の説明は難解で抽象的になりがちです。ですから、今回は具体的な実験を通して、気液平衡について学んでいきましょう。その後に、蒸気圧の概念について解説します。それでは早速、気液平衡の実験方法について解説していきますね。

密閉容器に乾燥空気と水を入れる

image by Study-Z編集部

気液平衡の実験の準備物は、密閉が可能な透明な容器、精製水、乾燥させた空気です。精製水とは、不純物を含まない水のことで、蒸留やイオン交換膜法などによってつくられます。また、乾燥させた空気とは、水の気体分子である水蒸気を含まない空気のことを指しますよ。

はじめに、密閉が可能な透明な容器に精製水を注ぎます。その後、密閉容器の上部に充満している空気を、乾燥空気と入れ替わるようにしますよ。入れ替えの方法としては、十分な量の乾燥空気を容器内に勢いよく送り込むといった方法が挙げられます。これで実験の準備は終わりです。また、実験中は温度を一定に保つようにします。

以上のような条件を実現することは、非常に難しいですが、気液平衡の説明を簡単に行うために極端な実験条件にしていますよ。言わば、この実験は仮想的な実験なのです。

水の蒸発がはじまる

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密閉容器に精製水と乾燥空気を封入した直後は、精製水に含まれる水分子の一部が、次々と液相から気相へと状態変化します。つまり、精製水の一部が蒸発するのです。このような変化は、沸点以下の常温であっても進行しますよ。しかしながら、永遠と精製水が気体に変化し続ける訳ではありません。時間が経過すると、変化は次の局面を迎えます。

不思議に感じる方もいるかもしれませんが、液体の水は常温であってもゆっくりと気体に変化するのです。洗濯物が乾くということが、まさに沸点以下で水が蒸発する現象ですよね。記事の後半で述べますが、蒸発と沸騰は定義が異なるのです。

気液平衡に達する

image by Study-Z編集部

精製水に含まれる水分子が蒸発を続けると、空気中の水蒸気濃度は上昇しますよね。そして、空気中の水蒸気濃度が上昇すると、一部の水分子が再び液相に戻るようになります。このとき、蒸発と凝縮の両方が生じることになりますよ。

さらに時間が経過すると、単位時間あたりに蒸発する水分子の数と単位時間あたりに凝縮する水分子の数が一致するようになります。これは、空気中の水蒸気濃度が見かけ上まったく変化しない状態に達したと言えますよね。このように、見かけ上蒸発も凝縮も生じていないようになった状態のことを気液平衡と呼びます。このような実験結果は、エタノールなどの水以外の物質でも観察することができますよ。

気液平衡に関連する身近な現象

ここでは、気液平衡に関連する身近な現象を紹介していきます。具体的な事例と結び付けて学ぶことで、気液平衡のに対する理解は深まりやすくなり、記憶にも残りやすくなるはずです。

先ほど述べた気液平衡の理論や考え方を頭に入れて、記事を読み進めてみてください。それでは、説明をはじめます。

ペットボトル内の水滴

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お茶やジュースの入ったペットボトルに振動などが伝わらないように置いておくと、示した写真のようにペットボトルの上部に細かい水滴が付着し、白色にくもることがありますよね。この現象は気液平衡を用いて説明することができます。

ペットボトル内のお茶やジュースに含まれている水分子の一部が蒸発した後に、気液平衡に達することで再び液体に戻るのです。そのときに、お茶やジュースの液面に凝結するのではなく、ペットボトルの面に凝結するので水滴が付着するのですね。一方、ペットボトルの外側の面に水滴が付着する場合もあります。結露のことですね。ですが、この現象は気液平衡には直接関係ありません。

蒸気圧と気液平衡の関係

気液平衡についての解説は一通り終わりましたが、続いて気液平衡に密接に関係のある蒸気圧についての説明していきます。蒸気圧とは、圧力および温度の概念を導入し、気液平衡の考え方を拡張したものになりますよ。

蒸気圧の概念を理解することができれば、蒸発と沸騰の違いを説明できるようになります。そして、2種類以上の液体が混合した場合の気液平衡の計算なども可能になりますよ。せっかくの機会なので蒸気圧の概念についても学んでみてはいかがでしょうか。

蒸気圧とは？

ある温度において、共存する液体と気体が気液平衡に達しているとき、気体部分に存在する水蒸気の圧力(分圧)のことを蒸気圧といいます。蒸気圧は、飽和蒸気圧と呼ばれることもありますよ。ある温度において水蒸気の圧力は蒸気圧を超えることはないと言い換えることもできます。

そして、温度と蒸気圧の関係をグラフで表現したものが蒸気圧曲線です。多くの蒸気圧曲線では、横軸に温度、縦軸に蒸気圧を配置します。蒸気圧曲線を読み解くことで、任意の温度における蒸気圧を知ることができたり、相変化の様子を理解できたりしますよ。

蒸気圧と沸騰

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蒸気圧曲線を読み解くことで、様々な物質の沸点を知ることができます。液体が沸騰する条件は、蒸気圧が大気圧を上回ることです。蒸気圧というのは、ある温度において各物質がとることができる圧力の最大値ですよね。この圧力が大気圧を超えると、すべての液体の分子が、次々と気体に変化することができるようになります。

この現象が、まさに沸騰なのです。このことから、大気圧(約1031hPa)と蒸気圧が等しくなる温度が沸点になります。この温度は、蒸気圧曲線から簡単に読み解くことができますよね。一方、大気圧を蒸気圧が上回らない場合、蒸発は気液平衡に達するまでの間のみに生じます。これは沸騰ではありません。