圧縮率因子は理想気体との差を表す指標!徹底解説してみる【高校化学】

圧縮率因子について徹底解説

圧縮率因子ってそもそも何のこと?

圧縮率因子とは,簡単に言うと,『どのくらい理想気体っぽいかを表している指標』のことで,圧縮率因子の値が『1』に近い値であればあるほど理想気体っぽい。

ある1molの気体について考えてみる。気体の状態方程式より,

PV=RTとなる。RTを移行すると,PVRT=1となる。

理想気体であれば,PVRT=1であるわけだ。しかし,実在気体ではPVRT=1とはならない。(分子間力があるし,分子自身の体積があるので。)

そこで,Zの文字を使って,PVRTZ(圧縮率因子)とする。このZの値が1に近くなると,『この実在気体は理想気体とみなせる』となる。1からどんどん外れると,理想気体からかけ離れた気体となる。

圧縮率因子Zとは,理想気体とどれくらい近い性質をもつかということを示す指標なのだ。

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具体的な状況を考えて解説!

①と②の状況について解説する。

①加圧開始時の状況について

⑴外圧は大気圧,温度は0 ℃の条件下で,理想気体1 molと実在気体1 molをそれぞれピストン付きの容器に入れる。

⑵両方,この条件下で,圧力4.0×106〔Pa〕でピストンを用いて加圧してみる。

すると,次の図のようになる。

さて,どうして,実在気体の方がより圧縮して体積が小さくなったのだろうか。

そもそも実在気体と理想気体の違いは次の通りだった。

  1. 分子間力がある(ない)
  2. 分子自身の体積がある(ない)

気体に圧力がかけられて圧縮が始まると,『1.』の理由から,実在気体においては分子間力が働くことによって,気体が飛び回れなくなり,気体の体積が小さくなる。また,『2.』の理由から,分子自身の体積を考えないといけないので,その分だけ実在気体の嵩が増すわけである。つまり,

  1. 『分子間力がある』=『Vr < Viとなる要因』
  2. 『分子自身の体積がある』=『Vr > Viとなる要因』

となるわけ。加圧することにより,分子間力は強まり,Vr < Viとなる要因が大きくなると同時に,加圧することにより,容器内の分子自身の体積を占める割合も増えるので,Vr > Viとなる要因も大きくなる。

しかし,今回の場合,加圧してすぐの状況(4.0×106〔Pa〕という比較的低圧)の条件下であることから,1.の要因>2.の要因となり,実在気体の体積は理想気体の体積よりも小さくなる。

つまり,低圧下においては,分子間力による要因の方が分子自身の体積の要因よりも大きいのである。

Vr < Viであることから,もちろん,圧縮率因子Z < 1となるわけ。(RとTとPに関しては,理想気体も実在気体も同じ値で実験をしているため,実質,VrとViの大小の比較が,そのままZと1の大小の比較となる。)

②さらに加圧した状況について

さらに加圧する。今回は,4.0×107〔Pa〕で加圧する。すると,今度は次のような図になる。

今度は逆転現象が起きるのである。これは,高圧で加圧することで,分子間力が強くなる(つまり,実在気体の体積が小さくなる要因が大きくなる)にも関わらず,実在気体の体積の方が大きくなっているのである。これは,

  1. 『分子間力がある』=『Vr < Viとなる要因』
  2. 『分子自身の体積がある』=『Vr > Viとなる要因』

この2つの要因のうち,1.の要因よりも2.の要因が大きくなったためである。つまり,実在気体においては,分子自身の体積により『嵩増し』されており,もはや分子間力が働くせいで体積が縮むなどの些細な要因はどうでもよいくらいの影響になっているということである。

分子自身の体積による気体の体積の嵩増しの影響>分子間力による気体の収縮の影響

ということ。よって,高圧条件下においては,Vr > Viとなるのである。したがって,Z > 1となる。

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ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。