◆蒸留(沸点・凝縮点)について◆

質問

【1】なぜ複数の物質の混合液は、沸騰する温度と凝縮する温度が異なるのでしょうか。

その2点に差があるから蒸留ができるという基本的な話だと思いますすが、そもそもなぜなんでしょう。

理想的な２成分系で、沸騰曲線(液相線)の温度を越えると混合液は沸騰を始め、逆に凝縮曲線(気相線)より温度が下がると蒸気は凝縮を始めるとのことですが、この状態がいまいち分かりません。

例えばある濃度の2成分混合液(1)が60℃で沸騰したとして、その蒸気(1)の温度は60℃ですよね？
その後蒸気が別の場所で冷却されて沸点液(2)になったとして、それは例えば55℃とかの、混合液(1)より低い沸点で、かつ濃度の高い液になるということですよね？

その液(2)はまた再加熱で55℃の蒸気(２)を発するんですよね？

これを繰り返して濃縮されていくと思っていますが、まずここまで合ってますでしょうか？【2】

【3】また、この物質の場合、例えば風船にこの原液を入れて、60℃まで加熱した後、さらに加熱を続けると仮に蒸気(１)の凝縮点が65℃だとしたら、65℃までの間風船の中の状態は、例えば63℃で温度維持していたとすると、63℃の液と蒸気がいるんですかね？
65℃になるまで加熱したらやっと全部気体にはなってるんでしょうけれど。

【4】その時６３℃の液は(1)と組成が変わってますよね？
【5】でも全部気体になってしまえば組成はまた(1)と同じになりますよね？

【6】沸点の定義は「その液体の蒸気圧が外気(大気)圧と等しくなる時の温度」ということですが、では「凝縮点」の定義は何でしょうか？検索しても「凝縮点」の定義を端的に説明した所はありませんでした。

わかりにくい文書で申し訳ないですが、取敢えず質問箇所を【1】～【6】に分けてみました。

どなたか、分かりやすく解説をお願いします。

回答No.2

yasto · ベストアンサー

【2】からです
『再加熱で55度の』という点は正しくないと思いますが、後は表現ぶり微妙なところがありますが、概ね大丈夫だと思います。
【3】～【5】
混乱されているようです。
どの物質どの状態のことをいっているのかわかりませんが、例えば、63度でずっと維持して、液体と気体が共存することはありえます。
その時、液体と気体は組成が違うことが多いです。そして、ミクロで見れば液体が蒸発する速度と、気体が凝縮する速度が同じ状態です。当然、化学反応起きていない限り、液体と気体を合計した組成は変わりません。ゆっくり温度を変化させると、液体の組成と気体の組成、液体と気体の割合は、少しずつ変化していきます。最終的には、気体が全てになります。
【6】凝縮し始める温度のことです。

【1】さて、何故、違うのかという質問ですが、何故、同じになる必要がありますか。観測している現象が違います。
純物質との比較で話されているかと思いますが、他成分系の蒸発は少しずつ組成が変わりながら蒸発するものですし、凝縮も同じです。
組成の変化が発生し、沸点や凝縮点が変化しながら、蒸発や凝縮は進行するので、この過程がない純物質とは違います。

お礼

先に回答して頂きましたので、こちらをBAとさせて頂きます。
ありがとうございました。

補足

yasto様
回答有難う御座います。

>>『再加熱で55度の』という点は正しくないと思いますが、
私の説明が悪いのだと思いますが、「濃度の高い液」と、ここで書いた「濃度」とは「低沸点濃度」の事をさしています。
さて、蒸気(1)が全部凝縮して沸点液(2)になった時の温度が55℃だとし、一度54℃になったとして、その後再加熱で55℃になった時に再び沸騰し、それはまた55℃の蒸気(2)を発し、蒸気(2)は蒸気(1)と異なった組成であるという意味で【2】の流れを考えていたのですが、この認識は正しくないでしょうか？

回答No.1

ORUKA1951

物質の三態--中学校で学ぶ--がきちんと身についていないようです。
共沸混合物を作る物質、互いに溶け合う物質は厄介なので後回しにします。
＞その2点に差があるから蒸留ができる
　互いに溶解しない場合は沸点上昇がありませんので、沸点も凝固点も同じです。

1) 相変化は、常に起きています。
　沸点に達しないと気化しないわけじゃない!!
　　洗濯物真冬でも乾くでしょ。冷凍庫の氷、長く置いておくと角が取れて丸くなるでしょ。
　　冬、塩ビシートを地面においておくと地面側が結露で水滴に覆われます。

　沸点の差で蒸留できるわけじゃないことがわかりますか？？

2) 蒸留に限定すると
　液相と気相の間には常に平衡が成り立っています。
　液相にある分子が、他からエネルギーを貰って飛び出すと熱を奪います。一方気相分子が液相に移動すると熱を放出します。
　あくまで系の持っている総熱量に依存する平衡の移動です。

　沸騰とは、内部から気化が起きる現象です。(蒸留には直接関係しない)
　沸点とは、蒸気圧が外気圧と一致する温度です。この二つ違いますよ。

　ここで、液相中に溶解した物質があると、界面に衝突する液相分子の数が減りますから、温度を上げてやらないと、気相→液相の分子数が増えてしまいます。それが沸点上昇。

3) 気化と凝結
　気相中のその物質の分圧が蒸気圧を越えると凝結し、逆だと気化が起きます。
　水に溶解しない物質に対する水蒸気蒸留という蒸留がありますが、これは水蒸気の気流中にはその物質が1/1000でも溶ける蒸気圧があれば、水蒸気気流中に1/10000だけは溶ける事ができます。次々に新しい水蒸気が供給されますので気化は続きます。
　そして、その先で水を凝縮させると、水蒸気の量が減ってしまったため、溶け込むことが出来なくなった物質も一緒に凝縮してしまいます。
　その物質は、この一連の蒸留過程で沸騰してませんよ。

＞沸点の定義は「その液体の蒸気圧が外気(大気)圧と等しくなる時の温度」ということですが、では「凝縮点」の定義は何でしょうか？
　同じものです。

　ややこしいのは共沸混合物です。今回は説明をしません。
　⇒共沸 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%85%B1%E6%B2%B8 )

　蒸留とは、常に気相に存在する物質と液相に存在する物質とのバランスだけの問題です。

　中学校のとき、きちんとイメージできなかったのでしょうね。

お礼

参考になりました。ありがとうございました。

補足

ORUKA1951様
回答有難う御座います。

共沸はこの場では問題にしていませんので解説して頂かなくて大丈夫です。

また、蒸留にも色々な原理があるのを知らずに質問して失礼しました。

>>沸点の差で蒸留できるわけじゃない
「揮発のしやすさ」と表現するべきでしたでしょうか。水蒸気蒸留のお話から、(すべての？)蒸留は混合液を沸騰させたからできているという訳ではないと説明されていますが、
今回は例えば2成分トルエン-ベンゼン系などのシンプルな混合液を加温して行って行う蒸留についての話としてお考え頂けますでしょうか？

水蒸気蒸留は初めてお聞きした蒸留法ですが、「新しい水蒸気が供給される」とのことなので、それは水と何かが初めから混合した液を加温して蒸留するやり方とは異なりますよね？

>>では「凝縮点」の定義は何でしょうか？
>>　同じものです。
失礼ですが、全く同じ定義であれば、混合液の沸点と凝縮点は全く同じ温度になりませんか？