物理化学

沸点:定義と物理的性質

沸点:定義と物理的性質
沸点の定義、外圧との関係、過熱現象、および溶液の沸点上昇や共沸といった物理化学的特性について解説します。

📌 主なポイント

  • 沸点とは、液体の飽和蒸気圧が外圧と等しくなる温度である。
  • 外圧が上昇すると沸点は上がり、外圧が低下すると沸点は下がる。
  • 過熱状態の液体が突然激しく沸騰する現象を突沸と呼ぶ。
  • 不揮発性の溶質が溶けている溶液は、純溶媒よりも沸点が高くなる(沸点上昇)。

沸点(ふってん、英語: boiling point)とは、液体の飽和蒸気圧が外部からの圧力(外圧)と等しくなる温度のことです。沸騰点や沸騰温度とも呼ばれます。純物質の場合、外圧が一定であれば沸点はその物質固有の値となります。

沸騰と蒸発

液体が気体に変化する現象を「気化」と呼び、沸騰と蒸発はその両方を含みます。蒸発は液体の表面からのみ気化が起こる現象ですが、沸騰は液体の内部からも気化が起こり、気泡が発生する点が異なります。沸騰している液体の温度は、その沸点にほぼ等しく保たれます。

外圧と沸点の関係

沸点は外圧に依存します。一般に外圧が高くなると沸点は上昇し、低くなると低下します。例えば、1気圧(101325 Pa)における水の沸点は約100 ℃ですが、標高の高い山など気圧が低い場所では100 ℃未満で沸騰します。逆に圧力鍋のように外圧を高くすると、沸点は100 ℃を超えて上昇します。

直鎖アルカンの沸点と炭素数の関係
直鎖アルカンの沸点は、炭素数が増加するにつれて単調に増加する傾向があります。

過熱と突沸

液体を加熱する際、沸点を超えても沸騰が始まらず、液温が上昇し続ける現象を過熱(superheating)と呼びます。この状態の液体に振動や異物の混入などの刺激が加わると、突然激しく沸騰する突沸(bumping)が発生します。これを防ぐためには、沸騰石の使用や撹拌が有効です。

溶液の沸点

液体に不揮発性の物質が溶けている場合、溶液の飽和蒸気圧が低下し、純溶媒よりも沸点が高くなる沸点上昇という現象が起こります。一方、揮発性の物質が混ざっている場合は、組成の変化に伴って沸点が変動します。また、特定の濃度において液相と気相の組成が一致し、沸騰中の温度が一定に保たれる現象を共沸と呼びます。水とエタノールの混合物などがその代表例です。

よくある質問

沸点と蒸発の違いは何ですか?
蒸発は液体の表面からのみ気化が起こる現象ですが、沸騰は液体の内部からも気化が起こり、気泡が発生する点が異なります。
なぜ高地では水が100℃以下で沸騰するのですか?
沸点は外圧に依存するためです。標高が高くなると気圧が下がるため、飽和蒸気圧が外圧と等しくなる温度(沸点)が100℃よりも低くなります。
突沸を防ぐにはどうすればよいですか?
沸騰石を入れる、または撹拌子などで液体を撹拌しながら加熱することで、気泡の核を生成させ、突沸を抑制することができます。

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凝固点蒸気圧相図共沸沸点上昇

参考文献

  • 竹内敬人『化学の基礎』岩波書店、1996年。
  • Peter Atkins、Julio de Paula『アトキンス物理化学』上、東京化学同人、2009年。
  • 甲藤好郎「沸騰の科学 (2)」『伝熱』第44巻、日本伝熱学会、2005年。
  • NIST, "Thermophysical Properties of Fluid Systems".