こんにちは。
八千代緑が丘校の轟です。
生徒から化学の質問を頂きました。
物質の状態を図示した三態図の
気体と液体の境界線に当たる蒸気圧曲線に
関する質問でした。
質問は
『二酸化炭素の蒸気圧曲線は右上がりになるのに
水の蒸気圧曲線は右下がりになるのはなぜ？』
という内容でした。
＜二酸化炭素の状態図＞ ＜水の状態図＞
(青い線が蒸気圧曲線です。)
確かに、これは不思議に感じますよね。
多くの高校生が疑問に思っているのではないか
と思い、ここで内容を共有したいと思います。
一言でお答えすると
『二酸化炭素の場合は加圧することで密度が上がり
固体になるが、水の場合は水素結合により
氷に加圧すると融解して水になるため。』
となります。
これだけ言われてもピンと来ないかと思いますので
以下で説明していきます。
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液体の状態よりも固体の状態の方が
密度が高くなります。
固体というのは、原子や分子が化学結合によって
整然と並んだ状態です。
一方、液体では気体ほどではないですが、原子や分子が
自由に動き回れるため、分子間距離は固体よりも液体の方が
長くなります。
ですから、二酸化炭素を含め水以外の物質では、
水以外の物質においては液体よりも固体の方が
密度は高くなります。
この性質が二酸化炭素の状態図にも表れています。
＜二酸化炭素の状態図＞
液体のＡ地点から圧力を加えると
固体のＢ地点に変化することが確認できます。
つまり、二酸化炭素においては
液体の状態から圧力を上げていくと、粒子同士の距離が縮まり、
密度が上がり、その結果固体に変化します。
一方、水はこのようなことにはなりません。
水の場合は特殊で、液体よりも固体の方が密度は高くなります。
それは、水が固体の氷になると、水分子が水素結合で
結びついて、隙間の多い構造になっているからです。
水素結合には方向性があり、水分子は折れ線構造をしているため、
固体になると下図のように積み重なり、隙間だらけになってしまいます。
一方、液体のときには水分子は自由に動くことができるため、
隙間が少なくなり、密度が大きくなるのです。
(実線は共有結合、点線は水素結合を表しています。)
そんな固体の氷に圧力を加えると水素結合が切れて
融解し、液体の水に変化します。
この性質が水の状態図にも表れています。
＜水の状態図＞
固体のＡ地点から圧力を加えると
の液体Ｂ地点に変化することが確認できます。
蛇足ですが、この性質を利用したのがアイススケートです。
スケートの靴には金属のブレードがついていて、
これをはいて氷の上に立つと、ブレードの下に大きな
圧力がかかります。
そうすると、氷が溶解して水になり、これが潤滑剤の代わり
になるため滑ることができるのです。
以上より、水とそれ以外で蒸気圧曲線の
傾きが異なるのは、分子同士が水素結合で
つながっているか否かによってきます。
こうやって考えると、身近な水という物質は
結構特殊で面白い物質ですね。
(八千代緑が丘校 轟)
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