物質の状態と気体（知識）の問題
純粋な液体の蒸気圧と沸騰に関する記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、気体はすべて理想気体とみなし、液体には気体が溶けないものとする。
- ア 密閉容器内で、ある温度で液体とその蒸気が気液平衡にあるとき、液体の蒸気圧は、容器内に残っている液体の量が多いほど大きい。
- イ 密閉容器内で液体とその蒸気が気液平衡にある。温度を一定に保ったまま容器の体積を大きくし、液体が残った状態で十分に時間がたって再び気液平衡になったとき、液体の蒸気圧は体積を大きくする前より小さい。
- ウ 液体は、その蒸気圧が外圧と等しくなる温度で沸騰するので、外圧（大気圧）の低い高山では水の沸点は低くなる。
- エ 同じ温度で比べると、分子間力の大きい液体ほど蒸気圧は大きい。
- オ 密閉容器内で液体とその蒸気が気液平衡にある。温度を一定に保ったまま、容器の体積を変えずに窒素を加えて全圧を高くし、液体が残った状態で十分に時間がたって再び気液平衡になったとき、容器内の蒸気の分圧（液体の蒸気圧）は窒素を加える前より大きい。
この問題で使うもの
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
気液平衡のときの蒸気圧が何によって決まるか、また沸騰がどのような条件で起こるかという知識を使う。
ヒント 2
液体が残って気液平衡にあるとき、蒸気圧は温度だけで決まる。沸騰は蒸気圧が外圧と等しくなったときに起こる。
ヒント 3
「蒸気圧は温度だけで決まる」ことを使うと、液体の量・容器の体積・ほかの気体の有無について述べた選択肢（ア・イ・オ）を判断できる。残る 2 つのうち、分子間力についての選択肢は、分子が液体から飛び出しやすいかどうかで考える。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
気液平衡では、単位時間あたりに蒸発する分子の数と凝縮する分子の数が等しくなっている。このときの蒸気の圧力（蒸気圧・飽和蒸気圧）は、液体が残っている限り温度だけで決まり、液体の量・容器の体積・ほかの気体の有無にはよらない。この事実をもとに各選択肢を判断する。
正しいもの
- ウ: 液体の内部からも蒸発が起こる現象が沸騰であり、液体の蒸気圧が外圧と等しくなる温度で起こる。蒸気圧は温度が高いほど大きいので、外圧が低いと、より低い温度で蒸気圧が外圧に等しくなる。高山では大気圧が低いので、水の沸点は低くなる。よって正しい。
誤っているもの
- ア: 蒸気圧は温度だけで決まり、残っている液体の量にはよらない。「液体の量が多いほど大きい」が誤り。
- イ: 体積を大きくした直後は蒸気の圧力が一時的に下がるが、液体が蒸発して再び気液平衡になると、温度が同じなので蒸気圧はもとの値にもどる。再び平衡になったときの蒸気圧は体積を大きくする前と等しい。「小さい」が誤り。
- エ: 分子間力が大きい液体ほど分子が液体から飛び出しにくいので、同じ温度での蒸気圧は小さい（沸点は高い）。「大きい」が誤り。
- オ: 窒素を加えると窒素の分圧の分だけ全圧は高くなるが、蒸気の分圧（液体の蒸気圧）は温度だけで決まるので、再び平衡になったときも窒素を加える前と等しい。「大きい」が誤り。
したがって、正しいものはウである。
別解
各選択肢を検討する。
ア 誤り。気液平衡での蒸気圧は温度だけで決まり、液体の量には依存しない。
イ 誤り。温度一定なら蒸気圧は一定である。体積を大きくすると、液体が一部蒸発して蒸気の物質量が増え、液体が残っていれば再び同じ蒸気圧（飽和蒸気圧）になる。
ウ 正しい。沸騰は蒸気圧が外圧に等しくなったときに起こる。高山では大気圧が低いので、低い温度で蒸気圧が外圧に達し、水の沸点は低くなる。
エ 誤り。分子間力が大きい液体ほど蒸発しにくく、同じ温度での蒸気圧は小さい。
オ 誤り。理想気体とみなすので、窒素を加えても蒸気の分圧（飽和蒸気圧）は温度だけで決まり、変わらない。
よって正解はウ。