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標準状態 - Wikipedia

標準ひょうじゅん状態じょうたい

物理ぶつりがく化学かがく工学こうがくなどの分野ぶんやで、測定そくていする平衡へいこう状態じょうたい依存いぞんするねつ力学りきがくてき状態じょうたいりょう比較ひかくするときに基準きじゅんとする状態じょうたい

標準ひょうじゅん状態じょうたい(ひょうじゅんじょうたい)とは、物理ぶつりがく化学かがく工学こうがくなどの分野ぶんやで、測定そくていする平衡へいこう状態じょうたい依存いぞんするねつ力学りきがくてき状態じょうたいりょう比較ひかくするときに基準きじゅんとする状態じょうたいである。標準ひょうじゅん状態じょうたいをどのように設定せっていするかは完全かんぜん人為じんいてきなものであり、理論りろんてき裏付うらづけはないが、歴史れきしてきには人間にんげん自然しぜん認識にんしき立脚りっきゃくする。

一般いっぱんてきには気体きたい標準ひょうじゅん状態じょうたいのことをすことがおおく、圧力あつりょく温度おんど指定していすることでしめされる。科学かがく分野ぶんやにより、また学会がっかい国際こくさい規格きかく団体だんたいによって、その定義ていぎ様々さまざまであり混乱こんらんられる。このため、日本にっぽんねつ測定そくてい学会がっかい統一とういつしたとして、地球ちきゅう大気たいき標準ひょうじゅんてき圧力あつりょくである標準ひょうじゅん大気たいきあつatm = 101325 Pa)をもちいるべきであると主張しゅちょう啓蒙けいもう活動かつどう展開てんかいしている[1]

標準ひょうじゅん圧力あつりょく

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指定していされる圧力あつりょくは、標準ひょうじゅん圧力あつりょくえい: standard pressure)とばれる。しばしば標準ひょうじゅん圧力あつりょくであることをしめすために記号きごう °けて p°かれる。どのような圧力あつりょくp°指定していしてもよいので、どのような圧力あつりょくp°指定していしたのかは明示めいじされなければならない[2]

標準ひょうじゅん圧力あつりょく設定せっていとしておもなものが種類しゅるいある。ひとつは、歴史れきしてきもちいられてきた、標準ひょうじゅん大気たいきあつえい: standard atmosphere

 

であり、もうひとつは1982ねんIUPAC推奨すいしょうした

 

である。105 Paは、標準ひょうじゅん状態じょうたい圧力あつりょくえい: standard-state pressure, SSP)とばれる[3][2]。ただし、1982ねん以前いぜん標準ひょうじゅん大気たいきあつ 101 325 Pa がSSPであった。SSPとは、後述こうじゅつする「物質ぶっしつ標準ひょうじゅん状態じょうたい」を規定きていするさいもちいられる圧力あつりょくであって、標準ひょうじゅん圧力あつりょく使用しようさまたげるものではない[4]たとえばデータベースに収録しゅうろくされている物質ぶっしつ沸点ふってん大抵たいてい場合ばあい標準ひょうじゅん大気たいきあつ沸点ふってんnormal boiling point)である。

1960ねん国際こくさい単位たんいけい(SI)の採択さいたくて、IUPACでも1969ねんにGreen bookを出版しゅっぱんしてSIへの転換てんかんとした[5]。その1970年代ねんだいのGreen book改訂かいていさい標準ひょうじゅん気圧きあつSIになるとして、SSPの慣習かんしゅうてきな1 atmから105 Paへの変更へんこう主張しゅちょうされ、IUPACの推奨すいしょうはこの主張しゅちょう沿っておこなわれた。20ねん以上いじょう(2004ねん当時とうじ)を経過けいかしてもIUPACの推奨すいしょうはしばしば無視むしされており、化学かがくねつ力学りきがくのデータベースに種類しゅるい設定せっていがあることで混乱こんらんられる[5][6]種々しゅじゅ物理ぶつり定数ていすう推奨すいしょう発表はっぴょうしているCODATAはIUPACの推奨すいしょう沿って後者こうしゃをSSPとしているが[3]標準ひょうじゅん圧力あつりょく設定せってい依存いぞんする理想りそう気体きたいモル体積たいせきサッカー・テトロード定数ていすうなどは、105 Pa および 101 325 Pa の両方りょうほう標準ひょうじゅん圧力あつりょくもとづく発表はっぴょうしている。

IUPACによるSSPの変更へんこう推奨すいしょう単位たんい変更へんこうともなうものとしておこなわれたが、標準ひょうじゅん状態じょうたいとは(仮想かそうてきな)測定そくてい条件じょうけんであり、基準きじゅんとするりょうえらかたであって、単位たんいえらかたではない。物理ぶつりがく理論りろん単位たんいえらかたにはらないが、たとえば標準ひょうじゅん生成せいせいエンタルピー標準ひょうじゅん状態じょうたい設定せってい依存いぞんしてそのりょう変化へんかする単位たんい変更へんこうによる数値すうち変化へんかではない)。そもそも、105 PaはSIに沿った一貫いっかんせいのある単位たんいではないことに注意ちゅうい

温度おんど圧力あつりょく標準ひょうじゅん条件じょうけん

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基準きじゅんとする温度おんどには 25 °C か 0 °Cえらばれることがおおい。のある温度おんど圧力あつりょく標準ひょうじゅん条件じょうけんとしては、SATPSTPNTPげられる。

SATP
基準きじゅん温度おんどを25 °C(298.15 K)、標準ひょうじゅん圧力あつりょくを 105 Pa とするものがSATP(標準ひょうじゅん環境かんきょう温度おんど圧力あつりょくえい: standard ambient temperature and pressure)と定義ていぎされる[7]
STP(1990ねんごろ以降いこう
基準きじゅん温度おんどを0 °C(273.15 K)、標準ひょうじゅん圧力あつりょくを 105 Pa とするものがSTP(標準ひょうじゅん温度おんど圧力あつりょくえい: standard temperature and pressure)と定義ていぎされる[8]。1990ねんごろ[ちゅう 1]よりまえのSTPはNTPとおなじである。
NTP
基準きじゅん温度おんどを0 °C(273.15 K)、標準ひょうじゅん圧力あつりょくを 101 325 Pa とするものがNTP(標準ひょうじゅん温度おんど圧力あつりょくえい: normal temperature and pressure)と定義ていぎされる[9][ちゅう 2]。NTPは1990ねんごろよりまえのSTPとおなじである。

気体きたい標準ひょうじゅん状態じょうたいとしてどの条件じょうけん使つかわれるかは、地域ちいき分野ぶんやによりことなる。『アトキンス物理ぶつり化学かがくようろん』によれば2016ねん現在げんざいおもに 25 °C、105 Pa のSATPが使つかわれるが、0 °C、1 atm のSTP[ちゅう 3]は、いまでも使つかわれている[7]一方いっぽうボール物理ぶつり化学かがく』によれば、0 °C、105 Pa のSTPがもっともふつうのいちくみである[10]日本にっぽんでは、たん標準ひょうじゅん状態じょうたいといえば 0 °C、1 atm のNTPをすことがおお[11]

気体きたい体積たいせき

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1モル理想りそう気体きたい体積たいせきは、SATPでは24.8リットル、STPでは22.7リットル(1990ねんごろ[8][ちゅう 1]よりまえは22.4リットル)、NTPでは22.4リットルである。

物質ぶっしつ標準ひょうじゅん状態じょうたい

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温度おんど T における物質ぶっしつ標準ひょうじゅん状態じょうたいとは、温度おんど T標準ひょうじゅん状態じょうたい圧力あつりょく(SSP) p° におけるその物質ぶっしつ純粋じゅんすい状態じょうたいまたは仮想かそうてき状態じょうたいである[12]標準ひょうじゅん状態じょうたいにある物質ぶっしつねつ力学りきがくりょうは、標準ひょうじゅん状態じょうたいにおけるりょうであることをあらわすために °けてあらわされる[ちゅう 4]たとえば標準ひょうじゅん生成せいせいエンタルピーであれば ΔでるたfH°かれる(Δでるたf生成せいせい反応はんのうformation)をしめす)。温度おんど引数ひきすうとして ΔでるたfH°(298 K) のようにしめすか、みぎΔでるたfH°298 のようにしめ[13]

液体えきたい固体こたい標準ひょうじゅん状態じょうたい

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液体えきたい固体こたい標準ひょうじゅん状態じょうたいは、じゅん物質ぶっしつがSSPのしたにある状態じょうたいである。れいとして標準ひょうじゅん状態じょうたいにおけるグラファイトねつ力学りきがくりょう[14]ひょうしめす。

グラファイトの標準ひょうじゅんねつ力学りきがくりょうp° = 105 Pa
T / K T/J K−1mol−1 TH°298/kJ mol−1 ΔでるたfT/kJ mol−1
0 0.00 -1.05 0.00
298 5.69 0.00 0.00
500 11.65 2.38 0.00
1000 24.45 11.82 0.00
2000 40.63 35.32 0.00
3000 50.75 60.30 0.00

グラファイトの標準ひょうじゅん生成せいせいエンタルピー ΔでるたfH°Tひょう温度おんど範囲はんいでは定義ていぎによりゼロである。温度おんど T における標準ひょうじゅんエントロピー T および標準ひょうじゅんエンタルピー T は、定圧ていあつモル熱容量ねつようりょう実測じっそく Cp(T, p°) からそれぞれ

 

および

 

もとめられる。液体えきたい固体こたい標準ひょうじゅん定圧ていあつモル熱容量ねつようりょう Cp°(T) は、SSPにおける定圧ていあつモル熱容量ねつようりょう Cp(T, p°)おなじである。

気体きたい標準ひょうじゅん状態じょうたい

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実在じつざい気体きたい標準ひょうじゅん状態じょうたいは、SSPのしたにあるじゅん物質ぶっしつ理想りそう気体きたいである。この状態じょうたい仮想かそうてき状態じょうたいである。たとえば 298 K における H2O(gas) の標準ひょうじゅん状態じょうたいは、105 Pa(または 1 atm)でも凝縮ぎょうしゅくしない水蒸気すいじょうきであって、これは完全かんぜん仮想かそうてき状態じょうたいである。それにたいして、SSPのした現実げんじつ気体きたいとして存在そんざいする物質ぶっしつは、理想りそう気体きたいとみなせる場合ばあいおおい。

25 °C における気体きたいねつ力学りきがくりょうp° = 105 Pa[15]
気体きたい H(p°)/kJ mol−1 Cp°/J K−1mol−1 Cp(p°)/J K−1mol−1
水素すいそ H2 0.00 28.8 28.8
窒素ちっそ N2 0.01 29.1 29.2
二酸化炭素にさんかたんそ CO2 0.04 37.1 37.4
アンモニア NH3 0.10 35.6 36.8
ブタン C4H10 0.25 98.5 100.6

ひょうから 25 °C、105 Pa におけるアンモニアの生成せいせいエンタルピー ΔでるたfH298(p°) が 25 °C、105 Pa における標準ひょうじゅん生成せいせいエンタルピー ΔでるたfH°298 に 0.1 kJ/mol の精度せいど一致いっちすることがかる。一般いっぱんに、実在じつざい気体きたい圧力あつりょくゼロの極限きょくげん理想りそう気体きたいとなるので、実在じつざい気体きたいCp°(T)Cp(T, p → 0)ひとしく、H°(T)H(T, p → 0)ひとしい。よん酸化さんか窒素ちっそ N2O4 のように、低圧ていあつ分解ぶんかいする分子ぶんしからなる気体きたい標準ひょうじゅんねつ力学りきがくりょうは、分光ぶんこうがくデータと統計とうけい力学りきがくにより計算けいさんされる。

SSPのした液体えきたいとして存在そんざいする物質ぶっしつ標準ひょうじゅん蒸発じょうはつエンタルピー ΔでるたvapH°(T) は、温度おんど T における蒸気じょうきあつ psat(T)したでの蒸発じょうはつエンタルピー ΔでるたvapH(T, psat) にほぼひとしい。ただし、蒸気じょうき理想りそう気体きたいとみなせる場合ばあいかぎる。しょうちゅうりょうからだつくギ酸ぎさん酢酸さくさんなどでは、ΔでるたvapH°(T)ΔでるたvapH(T, psat)おおきくことなる。また、したひょうから、えき平衡へいこうにあるメタノール蒸気じょうきCp(psat)異常いじょうおおきいことがかる。これはメタノール蒸気じょうきには CH3OH 分子ぶんしほかよんりょうたい (CH3OH)4ふくまれているためである[16]

25 °C における蒸発じょうはつエンタルピーと蒸気じょうき定圧ていあつ熱容量ねつようりょうp° = 105 Pa[15]
物質ぶっしつ psat / 105 Pa ΔでるたvapH°/kJ mol−1 ΔでるたvapH(psat)/kJ mol−1 Cp°(gas)/J K−1mol−1 Cp(gas; psat)/J K−1mol−1
みず H2O 0.032 44.0 44.0 33.6 34.4
メタノール CH3OH 0.170 38.1 37.5 44.0 116.0
ペンタン C5H12 0.683 26.7 26.4 120.0 123.0

一般いっぱんに、気体きたいおよび蒸気じょうきCp°(T)H°(T) は、実在じつざい気体きたい圧力あつりょくゼロの極限きょくげんひとしい。それにたいして、気体きたいのエントロピー S(T, p) は圧力あつりょくゼロの極限きょくげん無限むげんだい発散はっさんする。そのため、気体きたい標準ひょうじゅんエントロピーは、SSPのしたにある仮想かそうてき理想りそう気体きたいのエントロピーとして定義ていぎされる。理想りそう気体きたい熱容量ねつようりょうとエンタルピーは圧力あつりょく依存いぞんしないので、実在じつざい気体きたい圧力あつりょくゼロの極限きょくげんからもとめた Cp°(T)H°(T) は、SSPのしたにある仮想かそうてき理想りそう気体きたいのそれにひとしい。

溶液ようえき標準ひょうじゅん状態じょうたい

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溶媒ようばい標準ひょうじゅん状態じょうたいは、じゅん溶媒ようばい標準ひょうじゅん状態じょうたいひとしい。

溶質ようしつ標準ひょうじゅん状態じょうたいは、質量しつりょうモル濃度のうど 1 mol/kg の仮想かそうてき理想りそう希薄きはく溶液ようえきである。 この仮想かそう溶液ようえきは、溶質ようしつ溶媒ようばい相互そうご作用さよう現実げんじつ溶液ようえきまったおなじで、溶質ようしつ同士どうし相互そうご作用さようまった存在そんざいしない溶液ようえきである。現実げんじつ溶液ようえきでは、濃度のうどゼロの極限きょくげん溶質ようしつ同士どうし相互そうご作用さようがゼロになる。よって、溶液ようえき反応はんのう標準ひょうじゅん反応はんのうエンタルピー ΔでるたrH°標準ひょうじゅん反応はんのうエントロピー ΔでるたrS°、および標準ひょうじゅん溶解ようかいエンタルピー ΔでるたsolH° は、いずれも無限むげん希釈きしゃく状態じょうたいへのそと挿値としてられる。たとえば標準ひょうじゅん中和ちゅうわエンタルピー ΔでるたnH°(25 °C) = −55.8 kJ/mol は、強酸きょうさんつよし塩基えんき中和ちゅうわエンタルピーを濃度のうどえていくつか測定そくていし、測定そくてい結果けっか濃度のうどゼロの極限きょくげんそとすることによりられたである[17]

溶質ようしつ成分せいぶん B の部分ぶぶんモル体積たいせき VB部分ぶぶんモル熱容量ねつようりょう Cp, B のような部分ぶぶんモルりょう英語えいごばんもまた、無限むげん希釈きしゃく極限きょくげんVB°Cp, B°収束しゅうそくする。それにたいして、部分ぶぶんモルギブズエネルギーすなわち化学かがくポテンシャル無限むげん希釈きしゃく極限きょくげんまけ無限むげんだい発散はっさんする。そのため、温度おんど T溶質ようしつ成分せいぶん B の標準ひょうじゅん化学かがくポテンシャル μみゅーB°(T) は、SSPのしたにある質量しつりょうモル濃度のうど 1 mol/kg の仮想かそうてき理想りそう希薄きはく溶液ようえきにおける化学かがくポテンシャルとしてつぎしき定義ていぎする。

 

ここで p° はSSP、mii ばん溶質ようしつ成分せいぶん質量しつりょうモル濃度のうどR気体きたい定数ていすうm° は 1 mol/kg であり、μみゅーB(T, p°, m1, m2, ...)実在じつざい溶液ようえきにおける成分せいぶん B の化学かがくポテンシャルである。この定義ていぎにより、溶質ようしつ成分せいぶん B の標準ひょうじゅん化学かがくポテンシャル μみゅーB°(T)VB°Cp, B°同様どうように、溶液ようえき濃度のうど m = (m1, m2, ...) にはらないとなる。SSPのしたでの実在じつざい溶液ようえき成分せいぶん B の化学かがくポテンシャルは μみゅーB°(T)使つかうと

 

あらわされる。ここで γがんまB(T, p°, m)成分せいぶん B のかつりょう係数けいすうであり、温度おんど圧力あつりょく濃度のうど関数かんすうである。

溶質ようしつ標準ひょうじゅん状態じょうたい定義ていぎは、溶媒ようばい標準ひょうじゅん状態じょうたい定義ていぎくらべて複雑ふくざつである。しかし、標準ひょうじゅん状態じょうたいをこのように定義ていぎすると、溶質ようしつ成分せいぶんあいだ相互そうご作用さようによる理想りそう溶液ようえきからのずれをすべてかつりょう係数けいすう γがんまBめることができる。溶液ようえき理想りそうせい標準ひょうじゅん状態じょうたいまれずにむ、というのがこの定義ていぎのポイントである[18]

脚注きゃくちゅう

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注釈ちゅうしゃく

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  1. ^ a b SSPと同時どうじにSTPが変更へんこうされたとかんがえるなら1982ねんごろであり、Gold book英語えいごばんだい2はん出版しゅっぱんされた時点じてんはじめて推奨すいしょうされたとかんがえるなら1997ねんである。
  2. ^ STPと同様どうように、時代じだい地域ちいき分野ぶんやちがえば、べつ条件じょうけんがNTPとばれうる。
  3. ^ これは1990ねんごろよりまえのSTPであり、NTPとおなじである。
  4. ^ SSPのした気体きたい理想りそう気体きたいとみなすことができて、溶液ようえき理想りそう溶液ようえきとみなすことができるなら、「SSPにおけるりょうであることをあらわすために °けてあらわされる」[13]かんがえてもよい。

出典しゅってん

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参考さんこう文献ぶんけん

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書籍しょせき

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  • J.G. Frey、H.L. Strauss『物理ぶつり化学かがくもちいられるりょう単位たんい記号きごう産業さんぎょう技術ぎじゅつ総合そうごう研究所けんきゅうじょ計量けいりょう標準ひょうじゅん総合そうごうセンターやくだい3はん)、講談社こうだんしゃ、2009ねんISBN 978-406154359-1https://www.nmij.jp/public/report/translation/IUPAC/iupac/iupac_green_book_jp.pdf 
  • Peter Atkins、Julio de Paula『アトキンス物理ぶつり化学かがくようろん千原ちはら秀昭ひであき稲葉いなばあきら やくだい6はん)、東京とうきょう化学かがく同人どうじん、2016ねんISBN 9784807908912 
  • David W. Ball『ボール物理ぶつり化学かがくじょう田中たなか一義かずよしおもねたけてっ 監訳かんやくだい2はん)、化学かがく同人どうじん、2015ねんISBN 9784759817898 
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  • G.N. ルイス、M. ランドル『ねつ力学りきがく』ピッツアー、ブルワー改訂かいてい 三宅みやけあきら田所たどころたすくやくだい2はん)、岩波書店いわなみしょてん、1971ねんNCID BN00733007OCLC 47497925 
  • 加藤かとうただし「10.9. 中和ちゅうわエンタルピー」『化学かがく便覧びんらん 基礎きそへん』 II、日本にっぽん学会がっかい へん改訂かいてい5はん)、丸善まるぜん出版しゅっぱん、2014ねんISBN 978-4621073414 
  • Peter Atkins『アトキンス物理ぶつり化学かがくしょう辞典じてん千原ちはら秀昭ひであき やく東京とうきょう化学かがく同人どうじん、1998ねんISBN 4-8079-0479-5 

関連かんれん文献ぶんけん

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関連かんれん項目こうもく

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外部がいぶリンク

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