(image590)● ‘相’は均一である物質の状態として定義され, それは化学成分ばかりでなく物理状態をも意味する。純物質に対して, 語句 ‘相 phase’ と ‘状態 state’ は本質的には同じ意味を持つ。
● 2つの物質の混合物を考慮するとき, 語句‘state’を使用するのは不適当である。例えば, 混ざっている2つ液体は単一の液相 liquid phase を作っており, 単一の液状態 liquid state ではない。
● 異なった相が安定である温度と圧力の条件は状態図 phase diagram で示される。状態図では, 相は圧力と温度の特定の条件で安定であるように記述される。
水の状態図
● 大気圧下の低温では, 安定相は固体(氷)である。1 atm で, 氷と水が平衡である温度は融点 (0 ℃, 273.15 K) と呼ばれている。これは固体と液体の相を分離する線によって示される。
この線は垂直でないので, 固体から液体への転移は圧力下の異なった温度で行われる。その線は下降しており, 普通ではない。
氷の普通ではないすき間のある構造は水素結合によって引き起こされる。アイスケ―テングはこの現象に依存している。スケートの狭いエッジ上のスケーターによって働く圧力は融点を低くくしそして氷は部分的に溶ける (刃の摩擦がこの過程のプロセスを手助けする)。
大気圧下で0 ℃から 100 ℃間の温度では, 安定相は液体の水である。液体と気体の間の平衡を示す線が100 ℃に達し, その温度において大気圧で沸騰が行われる, それが沸点である。再度, 沸点は圧力が変わると変化する。
固体/液体, 液体/気体, そして固体/気体を表わす3つの線が出会う特有の点は三重点と呼ばれ, それは3つの相が全て存在する圧力と温度の唯一の条件で存在する。水の三重点は 611 Pa と 273.16 K で示される。
液体/気体の線の他の端には臨界点が存在し, それ以上では圧力をどんなに大きくしても気体を液体にすることは不可能である。
二酸化炭素の状態図
● 二酸化炭素の状態図は2つの顕著な例外を除いて水のものと類似している。まず最初に, 固体と液体の結びつきつきの線が右上がりに傾斜しており, このことは, 固体は液体より密であるので通常の挙動を示すことになる。二番目に, 三重点は大気圧以上に存在する, それゆえ, 二酸化炭素は昇華する。氷もまた昇華するが, その圧力は 三重点の圧力の 611 Pa 以下である。
二組成の状態図
● 2つの物質が存在するとき, それが 2つの固体のような場合, その状態図は通常温度が一定圧力で変化するにつれての安定相を具体的に記すことで成り立っている。特例として, スズと鉛の混合物の状態図がしばしば示される。
他の物質を加えることはどちらの成分の融点をも低める。融点の降下が行われる理由は2つが混ざって溶液を形成するとき液体のエントロピーが大きくなることである。それゆえ, 合金は, 低い温度で溶ける純金属の融点よりも特異的に低い温度で溶ける。
到達しうる最も低い温度は水平の線に対応している。マークされているE点は最も低い温度で溶ける組成に相応している。これは共融と呼ばれる。
共融は純物質Aあるいは純物質Bのいずれとも区別される, その理由は, 少量のいずれかの成分を加えるとその融点が高くなるからである。顕微鏡試験は共融成分の固体は2つの成分の各々の微結晶から成り立っていることを示している。
鉛とスズの状態図
● 成分 c1(鉛側)の混合物が冷却し始めるとき, c2で2つの相間の線に到達するまで液体で残る。この温度で, 純粋の鉛が晶出する。残渣の混合物の成分はスズがより濃縮されたものになり, 続いてその線にそって点e(共融点)まで下がる。そのとき混合物の残りの全ては晶出する。これは, 成分 c1の混合物を冷却するとき, 最初は純粋の鉛を形成し, それから共晶を形成することである。
共晶は多数の応用がある。例として, スズ (Tm = 232 ℃) と鉛 (Tm = 327 ℃) は便利な 183 ℃の低い温度で溶ける共晶 (63% Sn, 37% Pb) を形成する ； これは共晶ハンダとして使用される。
塩と水の状態図
● 食塩(塩化ナトリウム)に水が加わるとその融点が下がる。共晶混合物は -21 ℃である。これは塩が道路に散布され氷形成を防止する理由となる。しかしながら, その共晶成分になるのはたまにしか起らない。ヨウ化カリウムと水の状態図において, 共晶の右側の線は水中の溶解曲線を表わしている。
Answer of Q1 The diagram (image590) below.
(image590)● A ‘phase’is defined as a state of matter that is uniform throughout, not only in chemical composition but
also in physical state. For a pure substance, the words ‘phase’and ‘state’ have essentially the same meaning.
● When a mixture of two substaces is considered, it is inappropriate to use the word ‘state’. Two liquid that mix together, for example, form a single liquid phase, not a single liquid state.
● The conditions of temperature and pressure under which different phases are stable can be shown on a phase diagram. A phase diagram describes which phase is most stable under particular conditions of pressure and temperature.
Phase diagram for water
● At low temperatures under atmospheric pressure, the stable phase is the solid (ice). At 1 atm, the temperature at which ice and water are in equilibrium is called the melting point (0 ℃, 273.15 K). This is shown by the line separating the solid and liquid phases.
As this line is not vertical, the transition from solid to liquid takes place at different temperatures under pressures. The line slopes backwards, which is unusual.
The unusually open structure of ice is caused by hydrogen bonding. Ice skating depends on this phenomenon. The pressure exerted by the skater on the narrow edge of the skates causes the melting point to lower and the ice melts locally (friction from the blade aids this process).
At temperature between 0 ℃ and 100 ℃ under atmospheric pressure, the stable phase is liquid water. At 100 ℃, the line representing the equilibrium between liquid and gas is reached and the temperature at which boiling takes place under atmospheric pressure is the boiling point. Again, the boiling point varies as the pressure varies.
The unique point at which the three lines representing the solid/liquid, liquid/vapour, and solid/vapour equilibria meet is called the triple point, as it is the only condition of pressure and temperature at which all three phases are present. The triple point of water is shown at 611 Pa and 273.16 K.
At the other extreme of the liquid/vapour line is the critical point, above which it is not possible to liquefy a gas, however great the pressure.
Phase diagram for carbon dioxide
● The phase diagram for carbon dioxide is similar to that of water with two notable exception. First, the line joining solid and liquid slopes forwards, as is the common behaviour because the solid is more dense than the
liquid. Second, the triple point lies above atmospheric pressure, and so carbon dioxide sublimes. Ice too can sublies, but only if the pressure is below 611 Pa, the pressure of its triple point.
Two-component phase diagrams
● When two substances are present, such as two solid, the phase diagram usually consists of specifying the stable phase as temperature is changed at constant pressure. A typical example is shown in the phase diagram for mixtures of tin and lead.
Adding the other substance lowers the melting point of either component. The reason why the lowering of melting point takes place is that the entropy of the liquid is greater when there are two substances mixed together to form a solution. So an alloy will typically melt at a lower temperature than the melting point of the lowering-melting pure metal.
The lowest temperature that can be reached corresponds to the horizontal line. The point marked E corresponds to the composition that melts at the lowest temperature. This is called the eutectic.
The eutectic can be distinguished from either pure A or pure B because adding a little of either component will increase its melting point. Microscopic examination shows that the solid with the eutectic composition consists of small individual crystals of the two components.
Phase diagrams for lead and tin
● When a mixture of composition c1(in the lead side) starts to cool, it remains liquid until it reaches the line between the two phases at c2. At this temperature, pure lead will crystallize out. The composition of the remaining mixture gets more concentrated in tin and follows the line down to the point e, when all the rest of the mixture crystallizes out. This is that first forms pure lead and then the eutectic, on cooling the mixture of composition c1.
Eutectics have a number of applications. For example, tin (Tm = 232 ℃) and lead (Tm = 327 ℃) form a eutectic (63% Sn, 37% Pb) that melts at the conveniently low temperature of 183 ℃ ； this is used as electrical solder.
Phase diagrams for salt and water
● Common salt (sodium chloride) added to water lowers its melting point. The eutectic mixture melts at -21 ℃. This is the reason that salt is spread on roads to prevent ice forming. However, reaching the eutectic composition could only occur by chance. In the phase diagram for potassium iodide and water, the line to the right of the eutectic represents the solubility curve for the salt in water.
問2の答
与えられている表面温度は大気の深さ全てで同じであることを想定する。
● 火星表面の物理的状態 ： メタンでは気体, アンモニアでは気体, そして水では固体。
火星は大気中で低圧である。上の状態図の中で火星での表面温度 -60℃と低圧を考慮すると, -60℃での垂直線はアンモニアに対しては気体, メタンに対しては気体, そして水に対しては固体の各領域を通りすぎる。
● 木星表面の物理的状態 ： メタンでは気体, 液体そして固体, アンモニアでは気体と固体, そして水では気体, 液体そして固体。
木星では大気の圧力は深さにつれて増加する。-180℃の垂直線はメタンでは高位度で気体領域, 次に液体, そして圧力が最も大きく深い所で固体に達し, アンモニアでは気体と固体で液体はなく, 水では大部分は固体で, 大気の頂上で僅かの気体そして大気中の深い非常に高い圧力で液体となる。
● 土星表面の物理的状態 ： メタンでは気体と固体, アンモニアでは気体と固体, 水では気体, 液体そして固体。
メタンに対する -180℃の線は高位度での気体領域を通り抜け, その次に固体で液体は無く, アンモニアでは気体と固体, そして水では大部分固体で, 圧力が最も低い非常な高位度でいくぶん気体, 非常に高い圧力で僅かの液体領域を通る。
Answer of Q2
It is assumed that the surface temperature given is the same at all depths of atmosphere.
● The physical state on the surface of Mars ： vapour for methane, vapour for ammonia, and solid for water.
Mars is low pressure in the atmosphere. Consider the surface temperature, -60℃ and the low pressure for Mars in the phase diagrams above, so the vertical line at -60℃ passes the area of each of vapour for ammonia, vapour for methane, and solid for water.
● The physical state of the surface of Jupiter ： vapour, liquid and solid for methane, vapour and solid for ammonia, and vapour, liquid and solid for water.
The pressure in atmosphere for Jupiter increases with depth. The vertical line at -180℃ for methane reaches vapour area at high altitude, then liquid, and solid very deep where pressure greatest, for ammonia vapour and solid without liquid, and for water largely solid, some vapour at top of atmosphere and liquid at very high pressure deep in the atmosphere.
● The physical state of the surface of Saturn ； vapour and solid for methane, vapour and solid for ammonia, and vapour, liquid and solid for water.
The line at -180℃ for methane goes through the areas of gas at high altitude, then solid without liquid, for ammonia gas and solid, and for water solid largely, some gas at very high altitude where pressure lowest, and liquid less at very high pressure.