一般化学

溶液・溶解度・束一的性質

溶液組成・飽和・温度依存の溶解度を扱い、溶存粒子数に基づく束一的性質と理想溶液の限界を理解する。

直観直観：粒子と変化

塩は水にかき混ぜると見えなくなるが、消失したのではなくイオンとして液体に広がる。溶質を十分加えると固体が残り平衡に達する。

小さな青い溶媒粒子は破線の膜を通れるが、大きな赤い溶質粒子は通れない。溶質は片側にとどまり、そちら側が混み合う。これが浸透圧の起源である。温度を上げると粒子は速く動く。

定義: 要点

溶液は溶媒と溶質からなる均一混合物である。所定の温度・圧力で飽和溶液は未溶解溶質と平衡にあり、溶解度はその条件での組成を表す。

理想希薄溶液ではラウールの法則 $p_A=x_Ap_A^\ast$ が成り立つ。不揮発性溶質を加えると溶媒のモル分率と蒸気圧が下がる。実溶液は理想性からずれることがある。

\Pi\approx i\,cRT,\qquad \Delta T_b=iK_bm,\qquad \Delta T_f=iK_fm

例: 例題

溶質0.20 molを含む0.50 L溶液の濃度を求めよ。

解答

c = n/V = 0.20/0.50 = 0.40 mol L⁻¹。溶媒の体積でなく最終的な溶液体積を用いる。

例: もう一題

ラジエータに水1.0 kgとエチレングリコール0.62 mol（非電解質）がある。K_f = 1.86 °C kg mol⁻¹として凝固点降下を見積もれ。

解答

m = 0.62 mol / 1.0 kg = 0.62 mol kg⁻¹、非電解質でi = 1、ΔT_f = 1 × 1.86 × 0.62 ≈ 1.2 °Cなので−1.2 °C付近で凍る。

希薄溶液では沸点上昇・凝固点降下は質量モル濃度にほぼ比例し、 $\Delta T_b=iK_bm$ 、 $\Delta T_f=iK_fm$ で表す。 $i$ は有効粒子数を反映する。

希薄溶液では束一的性質は溶質の種類でなく粒子数に依存する。糖1 molも他の非電解質1 molも同じ凝固点降下を示す。電解質は解離するため実効的なiが大きい。

より深い段階では、関与する粒子と不変量に基づいて観察を整理する。電荷・電子密度・粒子数を表すモデルのうち、測定事実を説明できる最小のものを選ぶ。

例: 計算・応用例題

25 °C（298 K）における0.050 mol/Lスクロース水溶液（非電解質、i = 1）の浸透圧を計算せよ。R = 0.0821 L·atm/(mol·K)とする。

解答

Π = i c R T = 1 × 0.050 × 0.0821 × 298 ≈ 1.22 atm（約124 kPa）。