化学および気象学における蒸気圧の基礎と物性評価
📌 主なポイント
- ✓蒸気圧は液相または固相にある物質と相平衡にある気相の圧力であり、温度に依存する物性値である。
- ✓沸点とは、液相にある物質の蒸気圧が外圧に等しくなる温度である。
- ✓純物質の蒸気圧や沸点の関係は、アントワン式などの実験式によって近似される。
蒸気圧（じょうきあつ、英語: vapor pressure）あるいは平衡蒸気圧（へいこうじょうきあつ、英語: equilibrium vapor pressure）とは、液相あるいは固相にある物質と相平衡にあるような物質の気相の圧力のことである。蒸気圧は物質に特有の物性値であり、温度に依存して決まる性質を持つ。
相平衡と温度依存性
物質の沸点とは、その物質が液相にあるときの蒸気圧が外圧に等しくなる温度である。また、物質の昇華点とは、その物質が固相にあるときの蒸気圧が外圧に等しくなる温度である。さらに物質が液相と固相の平衡状態にあるときの蒸気圧が外圧に等しい温度は三重点と呼ばれる。
液体の物質の周囲でのその物質の蒸気の分圧が液相の蒸気圧に等しいとき、その液体は蒸気と気液平衡の状態にある。気液平衡から温度を上げると蒸気圧が上がり、蒸気の分圧より大きくなる。液体が蒸発することで蒸気量が増えて分圧も上がり、新たな温度での蒸気圧と等しくなることで再び気液平衡となる。逆に温度を下げると蒸気圧は下がり、蒸気が液体に凝縮することで分圧が低下する。気相と固相の相平衡でも同様に、温度の変化に対して物質が昇華または凝縮して平衡が保たれる。
純物質の蒸気圧はクラウジウス・クラペイロンの式によって近似され、溶液であれば蒸気圧降下が起こりラウールの法則で近似される。
水の蒸気圧とアントワン式
他の液体と同様に、蒸気圧が周囲の大気圧まで達すると水は沸騰する。高度が高い場所では大気圧が低くなるため、水は低い温度で沸騰する。大気圧 $P$ と水の沸点 $ heta_{ ext{bp}}$ の関係は実験式であるアントワン式によって近似される。
曲面上の蒸気圧
液滴など、液面が曲率を持つ場合、蒸気圧 $p_d$ は表面張力の影響を受け、トムソン・ギブスの式（ケルビン方程式）で与えられる。
