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化学において、溶液とは、2 つ以上の物質からなる特殊な均質混合物のことです。このような混合物では、溶質は別の物質に溶解した物質で、溶媒と呼ばれます。溶媒と溶質粒子間の引力が溶質粒子を結合させる引力よりも大きい場合、溶媒粒子は溶質粒子を引き離して取り囲みます。取り囲まれた溶質粒子は、固体の溶質から離れて溶液中に移動していきます。溶液の混合プロセスは、化学的極性の影響が関与する規模で発生し、溶媒和に特有の相互作用が生じます。溶媒が混合物の大部分を占める場合、溶液は通常、溶媒の状態になります。溶液の重要なパラメータの 1 つは濃度です。これは、一定量の溶液または溶媒に含まれる溶質の量の尺度です。溶媒の 1 つが水である場合は、「水溶液」という用語が使用されます。[1]
特徴
- 溶液とは、2 つ以上の物質の均質な混合物です。
- 溶液中の溶質の粒子は肉眼では見えません。対照的に、懸濁液中の粒子は目に見える場合があります。
- 溶液は光線を散乱させません。対照的に、懸濁液やコロイド内の粒子はチンダル散乱やレイリー散乱を引き起こす可能性があります。
- 溶液は安定しており、混合物の溶解度を超えて添加されない限り溶質は沈殿しません。溶解度を超えた場合、過剰分は固体相のままになります。平衡状態よりも多くの溶質が溶解している溶液は、過飽和と呼ばれます。
- 溶液中の溶質と溶媒は、 ろ過（または機械的）によって分離することはできません。
- 1 つのフェーズのみで構成されます。
種類
均質とは、混合物の成分が単一の相を形成することを意味します。不均質とは、混合物の成分が異なる相であることを意味します。混合物の特性 (濃度、温度、密度など) は、拡散現象がない場合、または拡散現象が完了した後にのみ、体積全体に均一に分布できます。通常、最も多く存在する物質が溶媒と見なされます。溶媒は、気体、液体、または固体です。溶媒以外の溶液内に存在する 1 つ以上の成分は、溶質と呼ばれます。溶液は、溶媒と 同じ物理的状態を持ちます。
気体混合物
溶媒が気体の場合、特定の条件下では気体（非凝縮性）または蒸気（凝縮性）のみが溶解します。気体溶液の例としては、空気（窒素に溶解した酸素とその他の気体）が挙げられます。気体分子間の相互作用はほとんど役割を果たさないため、非凝縮性気体はむしろ自明な溶液を形成します。文献では、非凝縮性気体は溶液として分類されることすらなく、単に均質な気体混合物として扱われています。ブラウン運動と気体分子の永久的な分子撹拌により、気体系の均質性が保証されます。非凝縮性気体混合物（空気/CO 2 、空気/キセノンなど）は、相対密度の関数として、明確に成層して別々の気体層を形成するため、自発的に分離したり沈殿したりすることはありません。地球上の通常の条件下では、拡散力が重力に効率的に対抗します。凝縮性蒸気の場合は異なります。特定の温度で飽和蒸気圧に達すると、過剰の蒸気が液体状態に凝縮します。
液体溶液
溶媒が液体の場合、ほぼすべての気体、液体、固体を溶かすことができます。次に例をいくつか示します。
- 液体中のガス:
- 液体中の液体:
- 同じ化学的性質を持ちながら濃度が異なる 2 つ以上の物質を混合して一定の濃度を形成すること。(溶液の均質化)
- アルコール飲料は基本的にエタノールを水に溶かしたものです。
- 液体中の固体:
- 水中の溶液は特に一般的であり、水溶液と呼ばれます。
- 非水溶液とは、液体溶媒が水ではない溶液のことである。[1]
反例として、均質ではない液体混合物が挙げられます。コロイド、懸濁液、エマルジョンは溶液とは見なされません。
体液は、多くの溶質を含む複雑な液体溶液の例です。これらの多くは、カリウムなどの溶質イオンを含むため電解質です。さらに、糖や尿素などの溶質分子も含まれています。酸素と二酸化炭素も血液化学に不可欠な成分であり、その濃度の大幅な変化は、深刻な病気や怪我の兆候である可能性があります。
確実な解決策
溶媒が固体の場合、気体、液体、固体を溶かすことができます。
- 固体中のガス:
- 固体中の液体:
- 固体中の固体:
溶解度
ある化合物が別の化合物に溶ける能力を溶解度といいます。[説明が必要]ある液体が別の液体に完全に溶ける場合、2 つの液体は混和します。 決して混ざって溶液を形成することができない 2 つの物質は、非混和性であると言われます。
すべての溶液は、正の混合エントロピーを持っています。異なる分子またはイオン間の相互作用は、エネルギー的に有利になることも、そうでないこともあります。相互作用が不利な場合は、自由エネルギーは溶質濃度の増加とともに減少します。ある時点で、エネルギー損失がエントロピーゲインを上回り、それ以上の溶質粒子[説明が必要]を溶解できなくなります。このとき、溶液は飽和しているといわれます。ただし、溶液が飽和するポイントは、温度、圧力、汚染などのさまざまな環境要因によって大きく変わる可能性があります。一部の溶質と溶媒の組み合わせでは、溶解度を上げて (たとえば温度を上げる) より多くの溶質を溶解し、その後溶解度を下げる (たとえば冷却する) ことで、過飽和溶液を調製できます。
通常、溶媒の温度が高いほど、特定の固体溶質をより多く溶解できます。ただし、ほとんどのガスと一部の化合物は、温度の上昇とともに溶解度が低下します。このような動作は、発熱による溶解 エンタルピーの結果です。一部の界面活性剤はこの動作を示します。液体中の液体の溶解度は、一般に固体や気体の場合よりも温度の影響を受けにくいです。
プロパティ
化合物の融点や沸点などの物理的特性は、他の化合物を加えると変化します。これらはまとめて束縛特性と呼ばれます。ある化合物が他の化合物に溶解している量を定量化する方法はいくつかあり、総称して濃度と呼ばれます。例としては、モル濃度、体積分率、モル分率などがあります。
理想溶液の特性は、その成分の特性の線形結合によって計算できます。溶質と溶媒の両方が同量存在する場合 (50%エタノール、50% 水溶液など)、「溶質」と「溶媒」の概念はそれほど重要ではなくなりますが、溶媒としてより頻繁に使用される物質が通常、溶媒として指定されます (この例では水)。
液体溶液の特性
原則として、あらゆる種類の液体が溶媒として機能します。液体希ガス、溶融金属、溶融塩、溶融共有結合ネットワーク、分子液体などです。化学および生化学の実践では、ほとんどの溶媒は分子液体です。分子が永久電気双極子モーメントを持っているかどうかに応じて、極性と非極性に分類できます。もう 1 つの区別は、分子が水素結合を形成できるかどうかです(プロトン性溶媒と非プロトン性溶媒)。最も一般的に使用される溶媒である水は、極性であり、水素結合を維持します。
塩は極性溶媒に溶解し、それぞれ溶媒分子の負端と正端に引き寄せられる正イオンと負イオンを形成します。溶媒が水の場合、荷電した溶質イオンが水分子に囲まれると水和が起こります。標準的な例は塩水です。このような溶液は電解質と呼ばれます。塩が水に溶解するときは常に、イオンの会合を考慮する必要があります。
極性溶質は極性溶媒に溶解し、極性結合または水素結合を形成します。たとえば、すべてのアルコール飲料はエタノールの水溶液です。一方、非極性溶質は非極性溶媒によく溶けます。例としては、油やグリースなどの炭化水素が挙げられますが、これらは簡単に混ざりますが、水とは相溶性がありません。
油と水が混ざらない例としては、損傷したタンカーから漏れた石油が海水に溶けず、表面に浮かぶことが挙げられます。
構成成分から調製
実験室では、構成成分から直接溶液を作るのが一般的です。実際の計算では、次の 3 つのケースがあります。
- ケース1: 溶媒の量が与えられている。
- ケース2: 溶質の質量が与えられている。
- ケース3: 最終溶液の体積が与えられます。
次の式で、A は溶媒、B は溶質、C は濃度です。溶質の体積寄与は理想溶液モデルを通じて考慮されます。
- ケース1: 溶媒量V Aの量(mL)が与えられている。溶質質量m B = CV A d A /(100-C/d B )
- ケース2: 溶質の質量m Bが与えられている。溶媒の体積V A = m B (100/C-1/ d B )
- ケース3: 最終溶液量Vtの量(mL)が与えられている。溶質質量m B = C Vt /100; 溶媒量V A =(100/C-1/ d B ) m B
- ケース2: 溶質の質量が既知、V A = m B 100/C
- ケース3: 溶液の総体積が既知で、ケース1と同じ式。V A =Vt; m B = CV A /100
例: 1 L の水で 2 g/100 mL の NaCl 溶液を作ります。結果として得られる溶液の密度は水の密度に等しいとみなされます。この文は特に希薄溶液に当てはまるため、密度情報は必要ありません。
- m B = CV A = ( 2 / 100 ) g/mL × 1000 mL = 20 g
化学者は、多くの場合、濃縮された原液を作り、それを必要に応じて実験室で希釈します。標準溶液は、溶質の濃度が正確かつ精密にわかっている溶液です。
参照
無料辞書のウィクショナリーで「溶液」 または「溶質」を調べてください。
- モル濃度 – 化学物質の濃度の測定
- パーセンテージソリューション（曖昧さ回避）
- 溶解度平衡 – 同じ化合物の固体と溶液の間の熱力学的平衡
- 総溶解固形物 – 環境化学における測定は、さまざまな分野で一般的な用語であり、使用する分析方法に応じて意味が異なります。水質では、サンプルから水分が蒸発した後に残る残留物の量を指します。
- 上臨界溶解温度 – 混合物の混和性の臨界温度
- 下限臨界溶解温度 – 混合物の成分がすべての組成に対して混和する臨界温度以下
- コイル-グロビュール転移 – 高分子が膨張したコイル状態から収縮したグロビュール状態へ収縮する現象
参考文献
- ^ ab 「Solutions」。ワシントン大学化学部。ワシントン大学。 2018年4月13日閲覧。
外部リンク
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