化学の質問です。

質問

理想気体と実在気体の範囲なのですが、なぜ低温・高圧にすると理想気体の状態の状態方程式に近づくことが可能になるのでしょうか？

また実在気体を圧力一定で低温にすると理想気体に比べて体積が小さくなり、温度一定で圧力を上げると理想気体に比べて体積が大きくなる理屈もわかりません…。

よろしければどうか解説よろしくお願い致します。

回答No.2

WiredLogic

理想気体と実在気体の大きな違いは次の2点です。

1. 理想気体では、分子の大きさを0と考えるが、
　実在気体の分子には、大きさがある。

2. 理想気体では、分子間(引)力を0と考えるが、
　実在気体の分子どうしには、ファンデルワールス力などの力が働く。

「なぜ低温・高圧にすると理想気体の状態の状態方程式に近づくことが可能になる」
かは、下の質問をして以上、タイプミス・書き損ないかとは思いますが、
話は逆、「高温・低圧」、分子どうしが互いに大きく離れた状態での話です。
理由は、この方が、1・2の差が、現れにくいから、になります。

「実在気体を圧力一定で低温にすると理想気体に比べて体積が小さく」
なるのは、2のために、分子どうしがくっつき合おうとするから、で、
その先では、くっつき合って、液体になってしまいます。

「温度一定で圧力を上げると理想気体に比べて体積が大きくなる」
のは、1の、分子の大きさの影響が無視できなくなるから、です。

実は、両方の場合で、1・2の影響は、同時に現れますが、

低温にすることで、分子どうしが近づいた場合、
分子間力を振り切るのに必要な分子のスピードが
落ちる分、2の影響がより現れやすく、

圧力を上げることで、分子どうしが近づいた場合、
温度一定で、分子のスピードが変わらない、つまり、
分子間力の影響が変化しにくいので、1の、
分子の大きさの影響がより現れやすい、
ということです。

お礼

解説ありがとうございます。理想気体がどういうものかはわかっていたつもりなのですが、温度や圧力の条件を変化させた際のイメージがなかなかできなかったので助かりました。感謝致します。

回答No.1

htms42

＞理想気体と実在気体の範囲なのですが、なぜ低温・高圧にすると理想気体の状態の状態方程式に近づくことが可能になるのでしょうか？

逆です。
「高温・定圧」で理想気体に近くなります。
気体の基本的なイメージは
「空間の中を気体粒子が自由に飛び回っている」
というものです。
そういう状態がどういう場合に実現するだろうかと考えてもらえばいいです。

他の気体粒子が存在していることが全く邪魔にならない状態ということです。
気体粒子同士がくっつけば液体になります。
液体の温度を高くしていくと気体になります。
くっつく原因になっている力の影響が気体になっても残っていれば十分に自由な運動というのは成り立ってはいないでしょう。

「高温」とか「低圧」というのがどういう意味を持つのかが分かるのではないでしょうか。

気体のイメージがはっきりしていれば
逆の条件を書いてしまうなんてことは起こらないのでは、・・・。

理想気体というのは上に書いた気体のイメージがどういう温度、圧力においても理想的に成り立っている気体のことです。
液体になれば気体ではなくなるのですから液体になる原因の力というのは理想気体には存在していません。
実在気体というのは温度を下げれば液体になります。液体になれば体積が小さくなります。気体粒子の間に引力が働くからです。まだ液体にはなっていなくても液体状態が実現する状態に近くなればこの力の影響は現れてくるはずです。引力がはたらけば引力がはたらかない場合に比べて体積は小さくなります。

温度を一定にしておいて圧力を上げて行くとします。体積は小さくなります。
理想気体に比べてその変化が大きいか小さいかは温度によって変わります。
比較的低い温度（気体⇒液体の変化の起こる温度に近い温度）では距離が近くなれば気体粒子の間に働く力の影響の方が強く出てきます。体積変化は理想気体よりも大きくなります。
比較的高い温度では気体粒子間に働く力が問題にならないくらい勢いよく飛びまわっています。
ただ空間が狭くなっていますので他の粒子の存在が自由な運動の妨げになってきます。
圧力を上げても理想気体のようには体積が小さくなることができなくなります。

高温、低温というのは～℃という温度で表しているのではありません。
気体⇔液体の移り変わりの温度を目安にしての話です。
（大まかには沸点を目安にしてもらうといいです。沸点は圧力によって変化しますから厳密な基準にするのには「？」が付きます。臨界温度という特別な温度が比較の基準になります。）

０℃は水素にとってはかなりの高温ですがＣＯ２にとってはそれほど高温ではないのです。

お礼

解説ありがとうございます！本当ですね…。逆のことを書いてました。
ご指摘感謝致します。