水上置換で集めた気体では水蒸気の分圧が飽和蒸気圧に等しく、捕集した気体の分圧は大気圧から飽和蒸気圧を引いたものになることや、他の気体があっても蒸気の分圧は飽和蒸気圧をこえないことを判断できる
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水上置換で集めた気体には、集めたい気体だけでなく水蒸気も混ざっています。この技能では、その水蒸気の分圧が水の飽和蒸気圧に等しくなること、そのため捕集した気体自身の分圧は「大気圧 − 水の飽和蒸気圧」になることを判断できるようになります。また、他の気体と蒸気が混ざっていても、蒸気の分圧は飽和蒸気圧をこえないことを使って、混合気体中の蒸気についての記述の正誤を判断します。
水上置換では、水を満たした容器（メスシリンダーや集気びん）を水槽に逆さに立て、その中に気体を送りこんで水を押し出します。集めた気体は水面と接しているので、容器の中では水の蒸発と凝縮がつり合った気液平衡になり、容器内の水蒸気の分圧はその温度での水の飽和蒸気圧に等しくなります。飽和蒸気圧は温度だけで決まり、他の気体の有無によらないので、容器内に水素や酸素があっても、水蒸気の分圧は飽和蒸気圧のままです。
容器の中の水面の高さを、水槽の水面の高さに合わせると、容器内の気体の全圧は、水槽の水面を押している大気圧に等しくなります（水面の高さがそろっているので、水の重さによる圧力の差がない）。分圧の法則より、全圧は各成分の分圧の和なので、
となり、捕集した気体の分圧は です。つまり、捕集した気体の分圧は大気圧より飽和蒸気圧の分だけ小さくなります。
また、液体の水と共存していない混合気体でも、水蒸気の分圧が飽和蒸気圧をこえることはありません。もし水蒸気の量が増えて分圧が飽和蒸気圧に達すると、それ以上の水蒸気は凝縮して液体になるので、分圧は飽和蒸気圧で頭打ちになります。他の気体が混ざっていても、この上限は変わりません。
水上置換で集めた気体は、捕集した気体と水蒸気の混合気体であることを確認する
容器内に水があるので、水蒸気の分圧はその温度での水の飽和蒸気圧 に等しいとする
容器内と水槽の水面の高さをそろえたとき、全圧は大気圧に等しいとする：
捕集した気体の分圧を と判断する
混合気体中の蒸気の分圧についての記述なら、他の気体の有無にかかわらず、蒸気の分圧は飽和蒸気圧をこえないことと照らし合わせ、選択肢ごとに正誤を決める
ある温度で、酸素を水上置換でメスシリンダーに集め、メスシリンダー内の水面の高さを水槽の水面の高さに合わせた。このときのメスシリンダー内の気体に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア 酸素の分圧は、大気圧に等しい。
イ 酸素の分圧は、大気圧からその温度での水の飽和蒸気圧を引いた値に等しい。
ウ 集めた酸素の量が多いほど、水蒸気の分圧は大きくなる。
エ 酸素が混ざっているので、水蒸気の分圧はその温度での水の飽和蒸気圧より大きくなる。
手順1より、メスシリンダー内は酸素と水蒸気の混合気体である。手順2より、水蒸気の分圧はその温度の飽和蒸気圧に等しい。
ア：手順3より、大気圧に等しいのは酸素と水蒸気の分圧の和（全圧）であり、酸素の分圧だけではない。誤り。
イ：手順4より、酸素の分圧は大気圧 水の飽和蒸気圧である。正しい。
ウ：手順2より、水蒸気の分圧は温度だけで決まる飽和蒸気圧であり、酸素の量によらない。誤り。
エ：手順5より、他の気体が混ざっていても、水蒸気の分圧は飽和蒸気圧をこえない。誤り。
よって、正しいものはイ。
答え: イ
水上置換で集めた気体の圧力を、そのまま捕集した気体の分圧として大気圧と等しいとしてしまう誤り。正しくは、容器内には水蒸気も含まれるので、大気圧に等しいのは全圧で、捕集した気体の分圧は である。
水面の高さをそろえなくても、容器内の全圧が大気圧に等しいとしてしまう誤り。正しくは、容器内の水面が水槽の水面より高いと、その分だけ容器内の全圧は大気圧より小さくなるので、全圧 大気圧 とするには水面の高さをそろえる必要がある。
他の気体が混ざっていると、水蒸気の分圧が飽和蒸気圧より大きく（または小さく）なると考えてしまう誤り。正しくは、水と共存しているときの水蒸気の分圧は、他の気体の有無によらず、その温度の飽和蒸気圧 に等しい。
捕集した気体の量を増やせば、水蒸気の分圧も増えると考えてしまう誤り。正しくは、水蒸気の分圧は温度だけで決まる飽和蒸気圧で、捕集した気体の量にはよらない。捕集した気体の量が増えると、全圧一定のまま容器内の気体の体積が増える。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。