飽和蒸気圧

質問

みなさん、こんにちは。受験問題なのですが、疑問がわいてきたので、答えていただければ幸いです。早速ですが宜しくお願いいたします。

真空に出来る容器に少量水と窒素を入れて、窒素が水に溶けるように混ぜて、そして凍らせて、窒素は取り出す。このとき真空状態である。そして温度を少しあげて氷が溶け出すと水（液体）から気泡がでてきた。なぜか？

と言う問題なのですが、解答は溶解度の関係で窒素がでてきたとあるのですが、ここで気圧がほとんどないと低温でも沸騰すると考えたのですが、この考え方は間違っているのでしょうか？氷の大きさや、容器の大きさにもよるとおもいますが、ある条件にすると私の考えたようなことがおこるのでしょうか？
このことを考えるとよく宇宙の映像で水がぽわ～んとまるくなって浮いている映像がありますが、あれはなぜ沸騰しないのでしょうか？宇宙は気圧がかなり低いので低温でも沸騰する気がしてしまいます。自分なりに考えると宇宙にもたくさん気体があるので、圧力はそんなにひくくないということだとおもいました。この考え方であっているのでしょうか？

以上、長くなりましたが、よろしければ答えてください。おねがいいたします。

回答No.7

noname#62864 · ベストアンサー

No.5です。補足します。
平衡状態として、固体、液体、気体が共存している時の温度および圧力の組み合わせを「三重点」と呼びます。
これはNo.2のご回答に書かれているとおりです。
ただし、これは0℃に非常に近い温度ですので、その時の飽和水蒸気圧は4.58mmHgとほとんど同じ値になるはずです。したがって、事実上、どちらであっても誤差範囲内に収まると言うことだと思います。

さて、沸騰が起こるのは「圧力がある温度の水の飽和蒸気圧と等しくなる」ときというのは、大まかに言えば正しいのですが、実際に沸騰が起こるのは、液体の内部からです。
すなわち、液体の表面から気化するのは沸騰ではないのです。
だとすれば、液体の内部には、液体の重さによる圧力というのが余分に加わることになり、その分だけ高い温度にならなければ、液体内部からの気化は起こらず、したがって沸騰しないということになります。

したがって、厳密にいうならば、沸騰するためには、少なくとも、液体の一部分において、その圧力における沸点よりも高い温度にならなければなりません。

なお、ご質問の系では、外部の水蒸気圧はすでに飽和水蒸気圧に達しており、「温度素少し上げた」という表現は、それに基づく飽和蒸気圧の変化は考えなくても良いというニュアンスを持っていると思います。
また、想定しているのが密閉系ですので、それ以上に気化する必要はありません。
気化する必要がない以上は、沸騰することもないということになります。

なお、容器の上部を瞬間的に真空にして、その間に水の気化がほとんど起こらず、かつ、瞬時に氷がある程度溶けたという条件がそろえば沸騰する可能性はあると思います。
また、真空ポンプを動かし続けて、気化した水蒸気を取り出し続けても、沸騰する可能性はあります。この場合に、内部の水は、時間の経過とともに、全て気化してしまいます。

お礼

返信どうもありがとうございます。
大分わかった気がいたします。
どうも２度も付き合っていただき有難うございました。

回答No.6

sak_sak

真空＝宇宙＝無重力

この連想をしがちですが誤りです。
宇宙の映像と言っても、恐らく宇宙船の中の映像です。

回答No.5

noname#62864

実現の可能性を不問として、容器から、窒素を取り出したとき、真空と書かれていますが、実際にはわずかながら水蒸気圧があるはずです。
その水蒸気は氷が昇華したものです。

氷の中にも窒素が閉じこめられていますが、氷には流動性がないので、閉じこめられたままです。
氷の中の窒素は、始めの状態（１気圧？）での窒素雰囲気下で平衡になっています。
しかし、氷が溶けた時点で、温度は０℃（厳密にいうならば、No.2のご回答にあります水の三重点）ですので、窒素の圧力が１気圧であれば、そのまま水中にとどまります。
しかしながら、外部の圧力は水の水蒸気圧のみであり、０℃付近では１気圧よりもかなり低くなっており、窒素は抜き取ってあるためにその分圧は０に近いはずです（細かいことですが、氷の昇華した部分に含まれていた窒素が存在するはずです）。

そのため、ヘンリーの法則（No.3のご回答にもありますね）によって、水に溶け込んだ窒素の中から、減った圧力に相当する窒素が発生することになります。これが泡の正体と考えられます。

さて、水の沸騰の可能性はどうかといえば、条件によっては起こりうることではありますが、問題文の条件では起こらないと考えるのが適当だと思います。
なぜかといえば、氷の状態ですでに水の昇華によって、容器内の水蒸気圧は０℃の飽和水蒸気圧になっていると考えられます。
氷が溶け始めて、一部が水になった（問題文を素直に読めば、この状態を指していると考えられます）としても、依然として温度は０℃ですので、飽和水蒸気圧は変化しません（なぜなら、飽和水蒸気圧は温度のみに依存します）。
したがって、新たな水の気化は起こり得ないことになりますので、沸騰することはありません。

氷が完全に溶けきった後に、急激な加熱を行えば沸騰する可能性がありますが、この問題はそういう状況は想定していないように読みとれます。

なお、宇宙船で水が丸くなるのは、これまでの回答にもありますように、無重力と表面張力によるものであり、この問題とは関係ありません。

補足

ご解答ありがとうございます。もう少し疑問点が残るので質問させていただきます。
まず、インターネットで水の０度での飽和蒸気圧を調べたのですが、
温度 圧力 蒸発潜熱
℃ mmHg kcal/kg
0 4.58 597.1
となっていました。これは氷の状態で。氷と水蒸気が平衡になっている状態なのでしょうか？それとも０度だけど、また氷になってないときの液体の水の飽和蒸気圧なのでしょうか？

また、私は受験生なのですが、圧力がある温度の水の飽和蒸気圧と等しくなると沸騰が起きる、と考えているのですが、例えば今回の問題で窒素が入ってない氷が解け始めた時（0度）に容器の圧力を真空に近い状態にすると沸騰するということであっているのでしょうか？

重ねて質問してすいません。お暇な時にでもご解答おねがいいたします。

回答No.4

noname#160321

既にお答えが出そろっているので、補足だけしておきます。
氷点以下でも「水蒸気圧」はゼロではありません。ですから＃２のお答えにあるように、融け始めたときには既に容器中は飽和水蒸気圧になっており、それ以上は温度上昇に伴い…(て、氷がある間は実質上温度変化無いですが)…ゆっくりと水は気化します。
だから、氷の表面にマイクロ波レーザー(メーザー)をあてる様な乱暴な事でもしないと氷の表面での沸騰は観察できないでしょうね。

回答No.3

googooguuguu

ヘンリーの法則じゃないのか？
液体は温度が下がると気体の溶解量は増えます
低温で沸騰、気化熱を何処から得るか？

回答No.2

act_chem

まず最初の質問ですが、真空の意味合いが考えているものとは異なり「減圧」できる装置ではないでしょうか。
水の三重点は0.06気圧-0.01度ですので、真空に近い状態まで減圧した場合、水は液体とならず昇華します。
今回窒素が含まれているということなので、少なくとも0.06気圧よりは大きな圧力があるのでしょう。
そのため発生する泡は水に溶解していた窒素が溶けきれなくなってでてきたものです。大気圧下で溶けていた体積が減圧したために同体積分とけることができなくなり、増加した分が出てきたものです。固体状態では分子配列が変えられないために出てこれなかった分です。
ですから、窒素が生じた後も継続して減圧していくと次には水が昇華をはじめると思いますよ。

次に宇宙の映像で水が丸くなる。
これはNo.1の方のご指摘通り、宇宙船内は大気圧に近い圧力があるため液体状態の水が存在できるのです。
球になるのは表面張力のために、体積最大で表面積が最小になる形になろうとするからです。容器に入れると容器と水の表面張力の差が空気と水との表面張力の差よりも小さいために容器の表面に付着し、球体とは限らなくなります。

もし、宇宙船外に水を放出したとすると、氷もしくは水蒸気としてしか存在できなくなります。
映画「アポロ13」などでその映像が出ていたかと思います。

補足

ご解答ありがとうございました。
まだ疑問点が残ってるので、重ねて質問させてください。
同じ質問なので、上の方に書いたものをコピーさせていただきます。

まず、インターネットで水の０度での飽和蒸気圧を調べたのですが、
温度 圧力 蒸発潜熱
℃ mmHg kcal/kg
0 4.58 597.1
となっていました。これは氷の状態で。氷と水蒸気が平衡になっている状態なのでしょうか？それとも０度だけど、また氷になってないときの液体の水の飽和蒸気圧なのでしょうか？

また、私は受験生なのですが、圧力がある温度の水の飽和蒸気圧と等しくなると沸騰が起きる、と考えているのですが、例えば今回の問題で窒素が入ってない氷が解け始めた時（0度）に容器の圧力を真空に近い状態にすると沸騰するということであっているのでしょうか？

以上です。お暇な時でよろしいので、おねがいいたします。

回答No.1

poponponpo

宇宙船の中では、人間が生存できていることから気圧は1気圧前後あると思われます。
水が丸い形で浮いているのは、重力が無いからではないでしょうか？