溶液 — 濃度・束一的性質・ラウールの法則

化学における溶液とは、溶質と溶媒が一様に混ざった混合物です。溶液に関する多くの問題は、結局のところ3つの考え方に整理できます。つまり、どれだけの溶質があるか、その量をどう表すか、そして溶けた粒子が溶媒のふるまいをどう変えるかです。

ここで濃度、束一的性質、ラウールの法則がつながります。濃度は溶質がどれだけあるかを示します。束一的性質は主に粒子数に依存する効果を扱います。ラウールの法則は、溶液が理想溶液に近いとき、モル分率と蒸気圧を結びつけます。

化学における溶液とは何か

溶液では、溶質は溶かされる物質、溶媒は溶かすはたらきをする成分です。食塩水は典型例で、食塩が溶質、水が溶媒です。

重要な特徴は一様性です。その試料が本当に溶液であれば、通常の条件では、どの小さな部分を取っても別の小さな部分と同じ組成をもちます。だからこそ、溶液は懸濁液や層に分かれた混合物とは異なります。

濃度はどう測るか

濃度は1つの決まった式ではありません。ある基準量に対して、どれだけ溶質があるかを表す方法の集まりです。

溶液化学でよく重要になるのは、次の3つの表し方です。

• モル濃度：溶液のリットル数を使う
• 質量モル濃度：溶媒のキログラム数を使う
• モル分率：ある成分のモル数を全モル数で割る

分母は、学生が思う以上に重要です。モル濃度は、問題で溶液の体積が与えられるときに便利です。質量モル濃度は、沸点上昇や凝固点降下でよく使われます。モル分率は、ラウールの法則に直接現れる濃度の単位です。

なぜ束一的性質は粒子数に依存するのか

束一的性質とは、主に溶けている粒子の数に依存し、主にその化学的な種類には依存しない溶液の性質です。初学者向けの化学では、この考え方は希薄溶液で最もよく成り立ち、溶液が強く非理想的な場合には注意が必要です。

代表的な4つの束一的性質は次のとおりです。

• 蒸気圧降下
• 沸点上昇
• 凝固点降下
• 浸透圧

基本的なイメージは実用的です。溶けた粒子は、純粋な溶媒が本来示すふるまいを乱します。その結果、溶液の蒸気圧は通常、純溶媒より低くなります。この変化が、なぜ沸点が上がり、凝固点が下がるのかを説明する助けになります。

2つの溶液で溶媒が同じで、粒子濃度も同じなら、同じ条件では似た束一的効果を示す傾向があります。ある溶質が別の溶質よりも溶液中で多くの粒子を生じるなら、その効果はより大きくなります。だから、同じ量の溶質でも、電解質は非電解質より大きな変化を起こすことがよくあります。

ラウールの法則はモル分率と蒸気圧をどう結びつけるか

ラウールの法則は、理想溶液の蒸気圧を考えるときの最も基本的でわかりやすいモデルです。

揮発しない溶質が揮発性の溶媒に溶けている一般的な場合には、

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

となります。

ここで、$X_{\text{solvent}}$ は溶媒のモル分率、$P^0_{\text{solvent}}$ は同じ温度における純溶媒の蒸気圧です。

この式が言っていることは単純です。液体中で溶媒の占める割合が小さくなると、表面から気相へ逃げられる溶媒分子の数も少なくなるため、蒸気圧は下がります。

両方の成分が揮発性で、しかも溶液が理想的にふるまうなら、ラウールの法則は各成分ごとに適用します。ただし、化学の入門的な問題では、最も重要なのは揮発しない溶質の場合です。

例題：ラウールの法則を使う

水を溶媒とする溶液で、溶媒のモル分率が

$$X_{\text{water}} = 0.90$$

であり、同じ温度での純水の蒸気圧が

$$P^0_{\text{water}} = 23.8\ \mathrm{torr}$$

だとします。

溶けている溶質が不揮発性で、溶液を理想溶液として扱うなら、ラウールの法則より

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{water}} P^0_{\text{water}} = (0.90)(23.8) = 21.42\ \mathrm{torr}$$

となります。

したがって、溶液の蒸気圧はおよそ

$$21.4\ \mathrm{torr}$$

です。

蒸気圧降下は、純溶媒と溶液の差なので、

$$\Delta P = 23.8 - 21.4 = 2.4\ \mathrm{torr}$$

となります。

ここが化学的な重要点です。溶媒のモル分率が低いほど、蒸気圧も低くなります。この同じ変化の向きが、溶液で沸点上昇や凝固点降下が起こる理由の説明にもつながります。

3つの考え方はどうつながるか

覚えるために1つのまとまった図式にするなら、次のようになります。

• 濃度は溶質がどれだけあるかを示す
• モル分率はラウールの法則に直接入る濃度の表し方である
• 粒子数が束一的効果を決める

つまり、これらは別々の3つの話題ではありません。同じ系を3つの視点から見ているのです。

溶液化学でよくある間違い

すべての濃度単位を同じように扱ってしまう

それらは同じではありません。ラウールの法則ではモル分率を使います。多くの凝固点降下や沸点上昇の関係式では質量モル濃度を使います。溶液調製を中心にした問題ではモル濃度を使うことがあります。

近似を使うための条件を忘れる

ラウールの法則は、ここで用いている形では理想的なふるまいに対してのみ厳密です。最も単純な束一的性質の関係式も、希薄溶液で最もよく成り立ちます。溶液が濃厚であったり、強く非理想的であったりする場合、この近似はおおよそのものにすぎないことがあります。

粒子数と式量単位の量を混同する

最も単純なモデルでは、溶けたグルコース1 mol はおよそ1 mol の粒子を与えます。電解質1 mol が溶けると、電離によってそれより多くの粒子になることがあります。これが束一的効果の大きさを変えます。

すべての溶質が不揮発性だと思い込む

最も単純な蒸気圧のモデルでは、溶質は蒸気にほとんど寄与しないと仮定します。両方の成分が蒸発するなら、モデルはもっと注意して述べる必要があります。

溶液化学はどこで使われるか

溶液化学は、実験での溶液調製、凝固点や沸点の問題、浸透、不凍液の例、蒸気圧の考察、そして溶けた物質が関わる多くの生物学的・環境的な系で使います。

また、他の化学分野を整理する助けにもなります。溶解度は、与えられた条件で溶液ができるかどうかを示します。濃度は、どれだけ溶けているかを示します。束一的性質は、溶液ができたあとに溶媒のふるまいがどう変わるかを示します。

似た溶液化学の問題に挑戦してみよう

例題で、純溶媒の蒸気圧はそのままにして、溶媒のモル分率を $0.90$ ではなく $0.85$ に変えてみてください。新しい蒸気圧を計算し、その後、なぜ圧力がその方向に変化したのかを1文で説明してみましょう。

別の例にしたいなら、凝固点降下や濃度換算で自分なりの問題を作り、その問題で本当に必要な濃度の単位がどれかを比べてみてください。