揮発性（化学）

化学において、揮発性は物質がどれだけ容易に蒸発するかを表す物質特性である。与えられた温度および圧力において、揮発性が高い物質は蒸気として存在する可能性が高く、揮発性の低い物質は液体または固体である可能性がより高い。揮発性は、蒸気が液体または固体に凝縮する傾向を表すこともできる。すなわち、揮発性の低い物質は、揮発性が高い物質よりも容易に蒸気から凝縮する。^[1]揮発性の違いは、同じグループ内の物質が大気にさらされたときにどれだけ速く蒸発するか（固体の場合は昇華するか）を比較することによって観察することができる。消毒用アルコール（イソプロピルアルコール）などの揮発性が高い物質はすぐに蒸発するが、植物油などの揮発性の低い物質は凝縮したままになる。^[2]一般に、固体は液体よりも揮発性が低いが、いくつか例外がある。ドライアイス（固体二酸化炭素）やヨウ素などの昇華する（固体から直接気体に変化する）固体は、標準条件下では一部の液体と同様の速度で気化することができます。^[3]

説明

揮発性自体には定義された数値はありませんが、蒸気圧または沸点 (液体の場合) を使用して説明されることがよくあります。蒸気圧が高いと揮発性が高く、沸点が高いと揮発性が低いことを示します。蒸気圧と沸点は、多くの場合、対象の化学物質を比較するために使用できる表やグラフで示されます。揮発性データは通常、さまざまな温度と圧力での実験を通じて見つけられます。

蒸気圧

蒸気圧は、特定の温度で凝縮相がどれだけ容易に蒸気を形成するかの測定値です。密閉容器に最初は真空状態（内部に空気なし）で封入された物質は、空いた空間をすぐに蒸気で満たします。システムが平衡に達し、蒸発速度が凝縮速度と一致すると、蒸気圧を測定できます。温度が上昇すると、形成される蒸気の量が増加し、したがって蒸気圧も増加します。混合物では、各物質が混合物の全体的な蒸気圧に寄与し、揮発性の高い化合物ほど寄与が大きくなります。

沸点

沸点とは、液体の蒸気圧が周囲の圧力と等しくなり、液体が急速に蒸発、つまり沸騰する温度のことです。これは蒸気圧と密接に関係していますが、圧力に依存します。通常の沸点は大気圧での沸点ですが、より高い圧力やより低い圧力での沸点も報告されます。^[3]

寄与要因

分子間力

物質の揮発性に影響を与える重要な要素は、分子間の相互作用の強さです。分子間の引力によって物質がまとめられ、ほとんどの固体など分子間力が強い物質は、通常、揮発性が高くありません。エタノールとジメチルエーテルは、同じ化学式（C ₂ H _{6 O）を持つ2つの化学物質ですが、液相で分子間に生じる相互作用が異なるため、揮発性が異なります。エタノール分子は}水素結合が可能ですが、ジメチルエーテル分子はできません。^[4]その結果、エタノール分子間の引力が全体的に強くなり、2つのうちエタノールの方が揮発性が低くなります。

分子量

一般的に、分子量が大きくなると、分子間結合に大きく関与できるようになるため、揮発性は低下する傾向がありますが、^[5]構造や極性などの他の要因も重要な役割を果たします。分子量の影響は、類似の構造を持つ化学物質（エステル、アルカンなど）を比較することで部分的に分離できます。たとえば、直鎖アルカンは、鎖内の炭素数が増えるにつれて揮発性が低下します。

アプリケーション

蒸留

揮発性の知識は、混合物から成分を分離する際に役立つことが多い。凝縮物質の混合物に、揮発性の異なるレベルの複数の物質が含まれている場合、その温度と圧力を操作することで、揮発性の高い成分が蒸気に変化し、揮発性の低い物質が液体または固体の相に残るようにすることができる。新しく形成された蒸気は、廃棄するか、別の容器に凝縮することができる。蒸気が集められると、このプロセスは蒸留と呼ばれる。^[6]

石油精製のプロセスでは、分留と呼ばれる技術が利用されており、これにより、揮発性の異なるいくつかの化学物質を1つのステップで分離することができます。製油所に入ってくる原油は、分離する必要がある多くの有用な化学物質で構成されています。原油は蒸留塔に流れ込み、加熱され、ブタンや灯油などのより揮発性の高い成分が気化します。これらの蒸気は塔を上っていき、最終的に冷たい表面と接触して凝縮し、集められます。最も揮発性の高い化学物質は塔の上部で凝縮し、最も揮発性の低い化学物質は最下部で凝縮します。^{[1]右側は、}蒸留塔の設計を示す図です。

水とエタノールの揮発性の差は、伝統的に飲料用アルコールの精製に利用されてきた。製品中のエタノール濃度を高めるために、アルコール製造業者は、エタノールの大部分が蒸発し、水の大部分が液体のままになる温度まで最初のアルコール混合物を加熱する。その後、エタノール蒸気は集められ、別の容器に凝縮され、より濃縮された製品となる。^[7]

香水

揮発性は香水を作る際に重要な考慮事項です。人間は芳香性の蒸気が鼻の受容体と接触すると匂いを感知します。塗布後すぐに蒸発する成分は、オイルが蒸発する前に短時間芳香性の蒸気を生成します。蒸発が遅い成分は数週間または数か月間肌に留まりますが、強い香りを生み出すのに十分な蒸気を生成しない場合があります。これらの問題を防ぐために、香水デザイナーは香水に含まれるエッセンシャルオイルやその他の成分の揮発性を慎重に考慮します。適切な蒸発率は、使用される揮発性の高い成分と揮発性のない成分の量を調整することで実現されます。^[8]

参照

参考文献

^ ab フェルダー、リチャード（2015）。化学プロセスの基本原理。ジョン・ワイリー＆サンズ。pp. 279–281。ISBN 978-1-119-17764-7。
^ Koretsky, Milo D. (2013).エンジニアリングと化学熱力学. John Wiley & Sons. pp. 639–641.
^ ab ズムダール、スティーブン S. (2007).化学. ホートンミフリン. pp. 460-466. ISBN 978-0-618-52844-8。
^ アトキンス、ピーター (2013)。化学原理。ニューヨーク：WHフリーマンアンドカンパニー。pp.368–369。ISBN 978-1-319-07903-1。
^ “炭化水素の沸点”. 2023年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年4月28日閲覧。
^ Armarego, Wilfred LF (2009).実験室化学物質の精製. Elsevier. pp. 9-12. ISBN 978-1-85617-567-8。
^ Kvaalen, Eric. 「アルコール蒸留：基本原理、設備、性能の関係、安全性」。Purdue。
^ セル、チャールズ (2006)。『香料の化学』英国：王立化学協会。pp. 200-202。ISBN 978-0-85404-824-3。

外部リンク

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揮発性の定義（ウィクショナリーより）

[:1-1] フェルダー、リチャード（2015）。化学プロセスの基本原理。ジョン・ワイリー＆サンズ。pp. 279–281。ISBN 978-1-119-17764-7。

[2] Koretsky, Milo D. (2013).エンジニアリングと化学熱力学. John Wiley & Sons. pp. 639–641.

[:0-3] ズムダール、スティーブン S. (2007).化学. ホートンミフリン. pp. 460-466. ISBN 978-0-618-52844-8。

[4] アトキンス、ピーター (2013)。化学原理。ニューヨーク：WHフリーマンアンドカンパニー。pp.368–369。ISBN 978-1-319-07903-1。

[5] “炭化水素の沸点”. 2023年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2021年4月28日閲覧。

[6] Armarego, Wilfred LF (2009).実験室化学物質の精製. Elsevier. pp. 9-12. ISBN 978-1-85617-567-8。

[7] Kvaalen, Eric. 「アルコール蒸留：基本原理、設備、性能の関係、安全性」。Purdue。

[8] セル、チャールズ (2006)。『香料の化学』英国：王立化学協会。pp. 200-202。ISBN 978-0-85404-824-3。