✨ ベストアンサー ✨
題意から、容器内にはPCl5(とそれにより生じた諸生成物)のみが入っているとします。
今、ピストンが(滑らかに)動くため、容器には760mmHgの圧力が掛かっています。
一方、容器内の気体はPCl5(気),Cl2(気),PCl3(気)
が考えられますが、これらの存在を仮定すると
PCl5の昇華圧(平衡時の分圧)は3mmHg,
PCl3の蒸気圧は200mmHg,
このもとでCl2の分圧は(3)式から求められて(私は求めてない←)、これらの和(容器内の全圧)は760mmHgより小さくなります(そうなるはず)。
ここで、ピストン(質量m,加速度a,断面積S)について運動方程式を立てると(写真の図の下向き正)
ma=P容器外S-P容器内S>0
であるため、結果として容器の体積は0に収束し、
気体が存在出来なくなります(気体の存在と体積0が矛盾)。
又は、大気圧の方が容器内の圧力より大きいため、
ルシャトリエの原理から圧力を下げる方向に平衡が移動して全て固体となる、と考えてもいいと思います。
「求められますか？」とは、「 求めることは可能なのでしょうか？」の意です！
すみません、てっきり問2で37°Cの時の圧平衡定数を出したのかとおもてました(汗
もうちょい考えます、、
えぇと、PCl5は100°C,1atmで昇華し、気体の状態のPCl5は平衡状態に達する、と記述があります。
これは温度,圧力によって変わりますが、おおよその状態図から考察すれば(下図、二酸化炭素の例を載せていますが、水以外は概ねこの概形です,Sは固体,Lは液体,Gは気体)、37°C,1atmのもとでは固体です。
よって問題文中の記述「気体状態では平衡になる」
から、固体の状態での平衡は起こらない、と言えるのではないでしょうか。
先に示した解法は37°Cでの圧平衡定数を求めることは出来ません。申し訳ありません。
すみません、もう少ししたらきちんと返信致します！
すみません、やはりよく分かりません。😭三重点の圧力と温度が問題から分かり、問5の状態は固液平衡に当てはまる、ということですか？
冒頭の問題文「PCl5は標準大気圧下100°Cで昇華する物質」とあります。これは三重点を示しているわけではなく、先日載せた状態図の(圧力,温度)=(1,-78.2)
のような、昇華圧曲線の標準大気圧における点を示したものと思われます。
状態図にあるように、1atmにおいて、-78.2°Cより下の温度では固体状態に留まることがわかるかと思います。
少し、常温で液体が蒸発する理由を考えます。
水は大気圧下では100°Cで沸騰する筈ですが、水の入れたコップを放置すると、最終的には全て気体になっている、なんて事が往々にしてあります。
これは別に沸点に達しているわけでもないのに、どうして蒸発するんでしょう…
これは(知ってるかもしれませんが)液体の分子同士が衝突することによって分子間の結合を振り切って気体になるから、と説明されます。
この状態が密閉系で起こる為に蒸気圧があるんですね
このように考察すれば、固体もたしかに昇華してしまいそうなものです。ですが、これは中々起こらない反応です。
まず、固体の結合は、液体の物質での結合に比べて強い(注参照)ため、結合を切るために必要なエネルギーが大きいです。ですので気体になる為には、大きいエネルギーを持っているか、もつ分子との衝突が必要です。
(注)今は同物質の状態を比べています。また「結合の強さ」とは、単純な「結合を切るために必要なエネルギーの大きさ」であって、比熱等の考慮はしていません。そして、この必要なエネルギーは各状態の運動等に依存しているため、非常にざっくりとした解釈ではありますが、ある程度の相関が見られるため、ご理解下さい。
次に、固体の分子運動は液体に比べて極めて小さく
大きなエネルギーを持つ分子は液体に比べて少ないです。
以上を纏めると、
(表面にある分子)かつ(結合を切りうるエネルギーを持っている分子)は限りなく0に近いのです。
また、たとえ気体になったとしても大気圧が大きければ、直感的には気体が押し戻されて固体に戻るため、事実上気体になっていないとみなせます。
フィナンシェさんは「密閉系の気液平衡のようなものが起こるのではないか」という質問をしているのだと思いますが、上記の考察を踏まえれば、
固体は一定のエネルギー以上を加えないと結合を切れずに固体にとどまっている、となると思います。
勉強に疑問は付き物ですよ。知らないことや分からないことが多い程、勉強している証ですね。
すみません、追記です。
固液平衡は固定容器では起こるかも知れません。
(ネットで調べても出ないし、手探りなんです…)
一般には
「容器の中に空間が存在する」⇔「気体が存在する」
と考えていいと思います(高校化学では)。
これは真空とするとルシャトリエの原理で圧力が増加する方向に進んで平衡に至るはずだからです。
度々言い分が変わってすみません…
ありがとうございます。あああ、今気付きました。そうでした、そうでした。可変容器では気体のみ、固体のみ、という状態が可能なのでしたね！一定体積の容器であれば気相が生じる可能性がありますもんね！そのときは、固気平衡も可能なのですね。ありがとうございます。付き合ってくださってありがとうございました。
「気体のみ→液体のみ」です。
丁寧に真摯に教えてくださって本当にありがとうございました！
私も良い勉強となりました、ありがとうございました
これからはキツイ時期ですが、お互い頑張りましょう
ご回答ありがとうございます。ある物体の蒸気圧P1や昇華圧P2は、まず、その物体が気体だと仮定して分圧を求めて、それからその仮の分圧PがP≧P1なら気液平衡となりP=P1、P≧P2なら固気平衡となりP=P2とする。といつもしているので、先に分圧=昇華圧、蒸気圧としてしまうのに違和感があります。
常識的に考えてそうなるということでしょうか…？PCl3、PCl5の仮の分圧は求められますか？