第10章液体と固体
Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ
Phase transitions are processes that convert matter from one physical state into another. There are six phase transitions between the three phases of matter. Melting, vaporization, and sublimation are all endothermic processes, requiring an input of heat to overcome intermolecular attractions. The reciprocal transitions of freezing, condensation, and deposition are all exothermic processes, involving heat as intermolecular attractive forces are established or strengthened. The temperatures at which phase transitions occur are determined by the relative strengths of intermolecular attractions and are, therefore, dependent on the chemical identity of the substance.
相転移とは、物質を一つの物理的状態から別の状態に変える過程である。物質の三つの相の間には、六つの相転移がある。融解、気化、昇華はすべて吸熱過程であり、分子間引力に打ち勝つための熱の供給を必要とする。逆向きの凝固、凝縮、凝華はすべて発熱過程であり、分子間引力が生じたり強まったりする際に熱を伴う。相転移が起こる温度は分子間引力の相対的な強さで決まるため、物質の化学的な種類に依存する。
Key Equations重要な式
Chemistry End of Chapter Exercises章末演習
Exercises 30–53練習問題 30–53
Exercise 30問題 30
Heat is added to boiling water. Explain why the temperature of the boiling water does not change. What does change?
沸騰している水に熱を加える。水温が変わらない理由を説明しなさい。何が変化するか。
Exercise 31問題 31
Heat is added to ice at 0 °C. Explain why the temperature of the ice does not change. What does change?
0 °Cの氷に熱を加える。氷の温度が変わらない理由を説明しなさい。何が変化するか。
Solution解き方
The heat is absorbed by the ice, providing the energy required to partially overcome intermolecular attractive forces in the solid and causing a phase transition to liquid water. The solution remains at 0 °C until all the ice is melted. Only the amount of water existing as ice changes until the ice disappears. Then the temperature of the water can rise.
氷が熱を吸収し、固体内の分子間引力に部分的に打ち勝つためのエネルギーを得て、液体の水へ相転移する。氷がすべて融けるまで液体は0 °Cのままである。氷がなくなるまでは、氷として存在する水の量だけが変化する。その後、水の温度が上がる。
Exercise 32問題 32
What feature characterizes the dynamic equilibrium between a liquid and its vapor in a closed container?
密閉容器内の液体とその蒸気との動的平衡を特徴付けるのは、どのような性質か。
Exercise 33問題 33
Identify two common observations indicating some liquids have sufficient vapor pressures to noticeably evaporate?
一部の液体が、目に見えるほど蒸発するのに十分な蒸気圧を持つことを示す、身近な観察例を二つ挙げなさい。
Solution解き方
We can see the amount of liquid in an open container decrease and we can smell the vapor of some liquids.
開いた容器の液体が減るのを観察できる。また、一部の液体の蒸気はにおいを感じられる。
Exercise 34問題 34
Identify two common observations indicating some solids, such as dry ice and mothballs, have vapor pressures sufficient to sublime?
英語のヒント
ドライアイスや防虫剤のような一部の固体が、昇華するのに十分な蒸気圧を持つことを示す、身近な観察例を二つ挙げなさい。
Exercise 35問題 35
What is the relationship between the intermolecular forces in a liquid and its vapor pressure?
液体の分子間力と蒸気圧には、どのような関係があるか。
Solution解き方
The vapor pressure of a liquid decreases as the strength of its intermolecular forces increases.
液体の分子間力が強くなるほど、蒸気圧は低下する。
Exercise 36問題 36
What is the relationship between the intermolecular forces in a solid and its melting temperature?
固体の分子間力と融点には、どのような関係があるか。
Exercise 37問題 37
Why does spilled gasoline evaporate more rapidly on a hot day than on a cold day?
こぼれたガソリンが、寒い日より暑い日に速く蒸発するのはなぜか。
Solution解き方
As the temperature increases, the average kinetic energy of the molecules of gasoline increases and so a greater fraction of molecules have sufficient energy to escape from the liquid than at lower temperatures.
温度が上がるとガソリン分子の平均運動エネルギーが増すため、低温の場合よりも多くの割合の分子が、液体から逃げるのに十分なエネルギーを持つ。
Exercise 38問題 38
Carbon tetrachloride, CCl4, was once used as a dry cleaning solvent, but is no longer used because it is carcinogenic. At 57.8 °C, the vapor pressure of CCl4 is 54.0 kPa, and its enthalpy of vaporization is 33.05 kJ/mol. Use this information to estimate the normal boiling point for CCl4.
英語のヒント
四塩化炭素CCl4は、かつてドライクリーニングの溶剤として用いられたが、発がん性があるため現在は使われていない。57.8 °CでのCCl4の蒸気圧は54.0 kPa、蒸発エンタルピーは33.05 kJ/molである。この情報から、CCl4の標準沸点を推定しなさい。
Exercise 39問題 39
When is the boiling point of a liquid equal to its normal boiling point?
液体の沸点が標準沸点と等しくなるのは、どのようなときか。
Solution解き方
They are equal when the pressure of gas above the liquid is exactly 1 atm.
液体の上の気体の圧力がちょうど1 atmのときに等しくなる。
Exercise 40問題 40
How does the boiling of a liquid differ from its evaporation?
液体の沸騰は、蒸発とどのように異なるか。
Exercise 41問題 41
Use the information in Figure 10.25 to estimate the boiling point of water in Denver when the atmospheric pressure is 83.3 kPa.
図10.25の情報から、大気圧が83.3 kPaのときのデンバーでの水の沸点を推定しなさい。
Solution解き方
approximately 95 °C
約95 °C
Exercise 42問題 42
A syringe at a temperature of 20 °C is filled with liquid ether in such a way that there is no space for any vapor. If the temperature is kept constant and the plunger is withdrawn to create a volume that can be occupied by vapor, what would be the approximate pressure of the vapor produced?
英語のヒント
20 °Cの注射器を、蒸気が入る空間がないように液体のエーテルで満たす。温度を一定に保ちながらプランジャーを引き、蒸気が入る空間を作った場合、生じた蒸気のおおよその圧力はいくらになるか。
Exercise 43問題 43
Explain the following observations:
次の観察結果を説明しなさい。
(a) It takes longer to cook an egg in Ft. Davis, Texas (altitude, 5000 feet above sea level) than it does in Boston (at sea level).
(a) テキサス州フォートデイビス（海抜5000フィート）では、ボストン（海面高度）より卵の調理に時間がかかる。
(b) Perspiring is a mechanism for cooling the body.
(b) 発汗は体を冷やす仕組みである。
Solution解き方
(a) At 5000 feet, the atmospheric pressure is lower than at sea level, and water will therefore boil at a lower temperature. This lower temperature will cause the physical and chemical changes involved in cooking the egg to proceed more slowly, and a longer time is required to fully cook the egg. (b) As long as the air surrounding the body contains less water vapor than the maximum that air can hold at that temperature, perspiration will evaporate, thereby cooling the body by removing the heat of vaporization required to vaporize the water.
英語のヒント
(a) 標高5000フィートでは海面高度より大気圧が低いため、水は低い温度で沸騰する。その低い温度では、卵の調理に関わる物理変化や化学変化がゆっくり進むので、十分に調理するのに長い時間が必要になる。(b) 体のまわりの空気に含まれる水蒸気が、その温度で空気が保持できる最大量より少ないかぎり、汗は蒸発する。水を気化させるのに必要な蒸発熱が体から奪われるため、体が冷える。
Exercise 44問題 44
The enthalpy of vaporization of water is larger than its enthalpy of fusion. Explain why.
水の蒸発エンタルピーは融解エンタルピーより大きい。その理由を説明しなさい。
Exercise 45問題 45
Explain why the molar enthalpies of vaporization of the following substances increase in the order CH4 < C2H6 < C3H8, even though the type of IMF (dispersion) is the same.
分子間力の種類がいずれも分散力であるのに、モル蒸発エンタルピーがCH4 < C2H6 < C3H8の順に大きくなる理由を説明しなさい。
Solution解き方
Dispersion forces increase with molecular mass or size. As the number of atoms composing the molecules in this homologous series increases, so does the extent of intermolecular attraction via dispersion forces and, consequently, the energy required to overcome these forces and vaporize the liquids.
英語のヒント
分散力は、分子質量や大きさが増すと強くなる。この同族列で分子を構成する原子数が増えると、分散力による分子間引力も強くなり、その力に打ち勝って液体を気化させるためのエネルギーも増える。
Exercise 46問題 46
Explain why the enthalpies of vaporization of the following substances increase in the order CH4 < NH3 < H2O, even though all three substances have approximately the same molar mass.
三つの物質のモル質量はほぼ同じなのに、蒸発エンタルピーがCH4 < NH3 < H2Oの順に大きくなる理由を説明しなさい。
Exercise 47問題 47
The enthalpy of vaporization of CO2(l) is 9.8 kJ/mol. Would you expect the enthalpy of vaporization of CS2(l) to be 28 kJ/mol, 9.8 kJ/mol, or −8.4 kJ/mol? Discuss the plausibility of each of these answers.
英語のヒント
CO2(l)の蒸発エンタルピーは9.8 kJ/molである。CS2(l)の蒸発エンタルピーは、28 kJ/mol、9.8 kJ/mol、−8.4 kJ/molのどれだと予想するか。それぞれの答えの妥当性を検討しなさい。
Solution解き方
The boiling point of CS2 is higher than that of CO2 partially because of the higher molecular weight of CS2; consequently, the attractive forces are stronger in CS2. It would be expected, therefore, that the heat of vaporization would be greater than that of 9.8 kJ/mol for CO2. A value of 28 kJ/mol would seem reasonable. A value of −8.4 kJ/mol would indicate a release of energy upon vaporization, which is clearly implausible.
CS2の沸点がCO2より高いのは、一部にはCS2の分子量が大きく、そのためCS2の引力が強いからである。したがって、蒸発熱もCO2の9.8 kJ/molより大きいと予想される。28 kJ/molは妥当と考えられる。−8.4 kJ/molだと、気化時にエネルギーが放出されることを意味し、明らかに不合理である。
Exercise 48問題 48
The hydrogen fluoride molecule, HF, is more polar than a water molecule, H2O (for example, has a greater dipole moment), yet the molar enthalpy of vaporization for liquid hydrogen fluoride is lesser than that for water. Explain.
フッ化水素分子HFは、水分子H2Oより極性が強い（例えば双極子モーメントが大きい）。それにもかかわらず、液体フッ化水素のモル蒸発エンタルピーは水より小さい。説明しなさい。
Exercise 49問題 49
Ethyl chloride (boiling point, 13 °C) is used as a local anesthetic. When the liquid is sprayed on the skin, it cools the skin enough to freeze and numb it. Explain the cooling effect of liquid ethyl chloride.
英語のヒント
塩化エチル（沸点13 °C）は局所麻酔薬として使われる。液体を皮膚に噴霧すると、皮膚が凍って感覚がなくなるほど冷やされる。液体塩化エチルの冷却効果を説明しなさい。
Solution解き方
The thermal energy (heat) needed to evaporate the liquid is removed from the skin.
液体の蒸発に必要な熱エネルギーが、皮膚から奪われる。
Exercise 50問題 50
Which contains the compounds listed correctly in order of increasing boiling points?
沸点の低い順に化合物を正しく並べているのはどれか。
(a) N2 < CS2 < H2O < KCl
(a) N2 < CS2 < H2O < KCl
(b) H2O < N2 < CS2 < KCl
(b) H2O < N2 < CS2 < KCl
(c) N2 < KCl < CS2 < H2O
(c) N2 < KCl < CS2 < H2O
(d) CS2 < N2 < KCl < H2O
(d) CS2 < N2 < KCl < H2O
(e) KCl < H2O < CS2 < N2
(e) KCl < H2O < CS2 < N2
Exercise 51問題 51
How much heat is required to convert 422 g of liquid H2O at 23.5 °C into steam at 150 °C?
23.5 °Cの液体H2O 422 gを、150 °Cの水蒸気に変えるには、どれだけの熱が必要か。
Solution解き方
1125 kJ
1125 kJ
Exercise 52問題 52
Evaporation of sweat requires energy and thus take excess heat away from the body. Some of the water that you drink may eventually be converted into sweat and evaporate. If you drink a 20-ounce bottle of water that had been in the refrigerator at 3.8 °C, how much heat is needed to convert all of that water into sweat and then to vapor? (Note: Your body temperature is 36.6 °C. For the purpose of solving this problem, assume that the thermal properties of sweat are the same as for water.)
汗の蒸発にはエネルギーが必要であり、体から余分な熱を奪う。飲んだ水の一部は、やがて汗となって蒸発するかもしれない。冷蔵庫内で3.8 °Cになっていた20オンスのボトル入りの水を飲んだ場合、その水すべてを汗にし、さらに蒸気に変えるには、どれだけの熱が必要か。（注：体温は36.6 °Cとする。この問題では、汗の熱的性質を水と同じだと仮定する。）
Exercise 53問題 53
Titanium tetrachloride, TiCl4, has a melting point of −23.2 °C and has a ΔH fusion = 9.37 kJ/mol.
四塩化チタンTiCl4の融点は−23.2 °C、ΔH fusion = 9.37 kJ/molである。
(a) How much energy is required to melt 263.1 g TiCl4?
(a) 263.1 gのTiCl4を融かすには、どれだけのエネルギーが必要か。
(b) For TiCl4, which will likely have the larger magnitude: ΔH fusion or ΔH vaporization? Explain your reasoning.
(b) TiCl4では、ΔH fusionとΔH vaporizationのどちらの絶対値が大きいと考えられるか。その理由を説明しなさい。
Solution解き方
(a) 13.0 kJ; (b) It is likely that the heat of vaporization will have a larger magnitude since in the case of vaporization the intermolecular interactions have to be completely overcome, while melting weakens or destroys only some of them.
(a) 13.0 kJ；(b) 蒸発では分子間相互作用に完全に打ち勝つ必要がある一方、融解ではその一部が弱まるか失われるだけなので、蒸発熱の絶対値のほうが大きいと考えられる。
boiling point
沸点
temperature at which the vapor pressure of a liquid equals the pressure of the gas above it
液体の蒸気圧が、その上の気体の圧力に等しくなる温度。
Clausius-Clapeyron equation
クラウジウス＝クラペイロンの式
mathematical relationship between the temperature, vapor pressure, and enthalpy of vaporization for a substance
物質の温度、蒸気圧、蒸発エンタルピーの間の数学的な関係。
condensation
凝縮
change from a gaseous to a liquid state
気体から液体への変化。
deposition
凝華
change from a gaseous state directly to a solid state
気体から直接固体になる変化。
dynamic equilibrium
動的平衡
state of a system in which reciprocal processes are occurring at equal rates
互いに逆向きの過程が等しい速度で起こっている系の状態。
freezing
凝固
change from a liquid state to a solid state
液体から固体への変化。
freezing point
凝固点
temperature at which the solid and liquid phases of a substance are in equilibrium; see also melting point
物質の固相と液相が平衡にある温度。「融点」も参照。
melting
融解
change from a solid state to a liquid state
固体から液体への変化。
melting point
融点
temperature at which the solid and liquid phases of a substance are in equilibrium; see also freezing point
物質の固相と液相が平衡にある温度。「凝固点」も参照。
normal boiling point
標準沸点
temperature at which a liquid’s vapor pressure equals 1 atm (760 torr)
液体の蒸気圧が1 atm（760 torr）に等しくなる温度。
sublimation
昇華
change from solid state directly to gaseous state
固体から直接気体になる変化。
vapor pressure
蒸気圧
(also, equilibrium vapor pressure) pressure exerted by a vapor in equilibrium with a solid or a liquid at a given temperature
平衡蒸気圧ともいう。ある温度で、固体または液体と平衡にある蒸気が及ぼす圧力。
vaporization
気化
change from liquid state to gaseous state
液体から気体への変化。