揮発性物質測定 セミナー化学

質問

セミナー化学で揮発性物質の問題について質問です。
199 ある揮発性の液体の分子量を求めるために、次の実験操作(1)～(3)を行った。

(1)内容積300mLの丸底ブラスコに小さい穴を開けた アルミ箱をかぶせて質量を測定すると、134.50gであった。

(2)このプラスコに液体の試料を入れ、アルミ箱でふ たをした。これを図のように、77°Cの湯につけ, 液体を完全に蒸発させた。

(3)フラスコを湯から取り出し、室温 20°Cまで手早く 冷やして、プラスコ内の蒸気を凝縮させた。
フラスコのまわりの水をふき取り、アルミ箔とブラス コの質量を測定すると、135.33gであった。
大気圧を1.0×10°Pa、液体の蒸気圧は無視できるもの として、次の各問いに答えよ。

(1)操作(2)(図の状態)で、フラスコ内にある蒸気の質量 は何gか。

(2) 操作(2)(図の状態)で、フラスコ内の蒸気の圧力、および温度はそれぞれいくらか。

(3) この液体試料の分子量を求めよ。(気体定数を83×10°Pa・L/K・molとする)

フラスコ＋アルミ箔＋空気の質量＋液体試料（気体と液体）ー（フラスコ＋アルミ箔＋空気の質量）

という計算をしていると解説に書いてありました。
ウェブで検索してさらに、詳しく調べました。
（あるウェブサイトに書いてあった言葉を自分の言葉で書いてあります。
間違えていたらごめんなさい。）

蒸発しているとき、(1)よりフラスコ内の気圧が上がって、気圧が大きい方から小さい方へ
液体試料の蒸気より軽い空気がさきに移動し、あとから余分な蒸気が出て、
結局、フラスコ内は液体試料の蒸気で満たされる。
湯浴からフラスコを取り出して、液体試料の蒸気が凝縮して、それによってフラスコ内の気圧がさがって、空気がフラスコ内に入ってくる。

ここで、
（フラスコ＋アルミ箔＋空気の質量＋液体試料（気体と液体））ー（フラスコ＋アルミ箔＋空気の質量）なんですが、この式にある２つある空気の質量を引いても０にならないと思ってしまいます。
この式で引き算した結果、液体試料の質量が出るように答えはなっているので非常に困っています。

(3)の状態では液体試料の凝縮で気圧が下がった分、空気が入ってきますが、
入ってきた空気が(1)に存在する空気の質量と等しい根拠が一切わかりません。

なぜ、(3)での空気の質量と(1)での空気の質量が等しいかを教えてください。
また、

・蒸気圧を無視しているのになぜ、液体試料が凝縮している

・そもそも沸騰は外圧と蒸気圧が等しくなったときにおこるはずなのに、
蒸気圧を無視しているのはどういうことなのか

の質問もお願いします。

回答No.2

hg3

確かに質問者さんの仰る通り厳密に考えれば、(3)の状態では、フラスコ内に凝縮した液体の試料が存在するので、その分、空気の量は、(1)の状態より少ないと考えられます。しかしながら、凝縮した液体の試料の体積は非常に小さく無視できるので、０と考えて良いということです。
従って、(1)でフラスコ内にある空気の体積＝(3)でフラスコ内にある空気の体積＝フラスコの内容積とみなして良いということです。

それから、
＞蒸気圧を無視しているのはどういうことなのか
についてですが、無視するのは、20℃で試料が液体の時の蒸気圧です。
77℃で沸騰している時の蒸気圧を無視するのではありません。

揮発性の液体であれば、本来は、室温20℃であっても、蒸気圧は0ではありません。従って、フラスコ内の蒸気の試料は全てが液体になるのでなく、一部は蒸気のまま存在しているはずです。しかし、この問題では、それは無視して、20℃の時にはフラスコ内の蒸気の試料は、全て凝縮して液体（つまり体積は0）になっていると考えて良いということです。

なので、(1)でフラスコ内にある空気の体積＝(3)でフラスコ内にある空気の体積＝フラスコの内容積とみなすことが可能となるのです。

補足

液体試料の蒸気圧を無視すると、なぜ、すべて凝縮と考えるんですか。蒸気圧になって凝縮し始める液体の方を無視するんじゃないんですか。（物理とかでもあるように微量なものを無視すると思うんですが。）

回答No.1

trytobe

(1) は室温20℃での測定である、という前提を省いている、

(2) のように77℃では沸騰する＝蒸気圧が気圧を越えるので、全量が気体になるが、室温20℃での蒸気圧は０としないと、(1) から (2) の間に揮発する量が求まらないから、「室温２０℃での液体の蒸気圧は無視できるもの」とする、

というだけです。