蒸気圧と沸点：沸騰の条件Vapor Pressure and Boiling Point: When Does a Liquid Boil?

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 富士山の山頂のように気圧が低い場所では、水は 100℃より高い温度と低い温度のどちらで沸騰すると思いますか。In a place with low air pressure, like the top of a high mountain, do you think water boils above or below 100°C?💡 液体の中に気泡ができるためには、その気泡が外から押しつぶされないことが必要です。For a bubble to form inside the liquid, it must not be crushed by the pressure pushing on it from outside.
2. 水の温度を 20℃ から 40℃ に上げるときと、80℃ から 100℃ に上げるときでは、蒸気圧の増え方は同じだと思いますか。Do you think the vapor pressure of water increases by the same amount when it is heated from 20°C to 40°C as when it is heated from 80°C to 100°C?💡 温度が高いほど、液面から飛び出せるエネルギーをもつ分子の割合がどうなるか考えましょう。Think about how the fraction of molecules with enough energy to escape the surface changes at higher temperatures.

2動かしてみようTry it

1. 液体の種類を「水」、外圧を 101 kPa（海面）のまま、「液温」スライダーを 20℃、60℃、95℃、100℃ と変え、下の表示の「蒸気圧」と、右のグラフの曲線の形を記録する。With Liquid set to "Water" and External pressure at 101 kPa (sea level), set the "Liquid temp." slider to 20°C, 60°C, 95°C, and 100°C. Record the "Vapor pressure" readout and the shape of the curve on the graph.
2. 100℃ で沸騰しているとき、左のシリンダーで液体の内部から気泡が出ている様子を見る。次に液温を 95℃ に下げ、気泡と「沸騰中／沸騰なし」の表示がどう変わるかを観察する。At 100°C, while it is boiling, watch the bubbles forming inside the liquid in the cylinder on the left. Then lower the liquid temperature to 95°C and observe how the bubbles and the "Boiling / Not boiling" readout change.
3. 液温を 75℃ にし、「外圧」スライダーを 101 kPa → 30 kPa（高山）→ 200 kPa（圧力鍋）と変えて、グラフ上の沸点マーカーの位置と「沸点」の値、沸騰の有無を記録する。Set the liquid temperature to 75°C and move the "External pressure" slider from 101 kPa → 30 kPa (high mountain) → 200 kPa (pressure cooker). Record where the boiling-point marker sits on the graph, the "Boiling point" value, and whether the liquid boils.
4. 外圧を 101 kPa に戻し、液温 75℃ のまま「液体の種類」スライダーを「水」→「エタノール」→「アセトン」と変え、蒸気圧・沸点・沸騰の有無を比べる。Return the external pressure to 101 kPa and, keeping 75°C, move the "Liquid" slider from "Water" → "Ethanol" → "Acetone". Compare the vapor pressure, boiling point, and whether each liquid boils.

3確かめようCheck

1. 水の蒸気圧は 20℃、60℃、100℃ でそれぞれ約何 kPa でしたか。グラフはどんな形でしたか。About how many kPa was the vapor pressure of water at 20°C, 60°C, and 100°C? What shape was the graph?→ 20℃ で約 2.3 kPa、60℃ で約 20 kPa、100℃ で約 101.3 kPa。直線ではなく、温度が高くなるほど急に立ち上がる指数関数的な曲線だった。About 2.3 kPa at 20°C, about 20 kPa at 60°C, and about 101.3 kPa at 100°C. It was not a straight line but an exponential-looking curve that gets steeper as temperature rises.
2. 外圧 101 kPa で液温を 100℃ から 95℃ に下げると、どうなりましたか。At 101 kPa external pressure, what happened when the liquid temperature was lowered from 100°C to 95°C?→ 蒸気圧が約 84.5 kPa と外圧より小さくなり、「沸騰なし（蒸気圧 < 外圧）」になった。液体内部の気泡は縮んで消え、液面からの蒸発だけが続いた。The vapor pressure dropped to about 84.5 kPa, below the external pressure, and the readout changed to "Not boiling (vapor pressure < external pressure)". The bubbles inside the liquid shrank and disappeared, and only evaporation from the surface continued.
3. 液温 75℃ の水で、外圧を 30 kPa と 200 kPa にしたとき、沸点と沸騰の有無はどうなりましたか。For water at 75°C, what were the boiling point and the boiling state at 30 kPa and at 200 kPa?→ 30 kPa では沸点が約 69℃ に下がり、蒸気圧 38.6 kPa が外圧を上回るので沸騰した。200 kPa では沸点が約 120℃ に上がり、沸騰しなかった。グラフの沸点マーカーは外圧の線と蒸気圧曲線の交点にあった。At 30 kPa the boiling point fell to about 69°C, and since the vapor pressure of 38.6 kPa exceeded the external pressure, it boiled. At 200 kPa the boiling point rose to about 120°C and it did not boil. The boiling-point marker sat where the external-pressure line crossed the vapor pressure curve.
4. 75℃・101 kPa で、水・エタノール・アセトンの蒸気圧と沸点はどうなりましたか。At 75°C and 101 kPa, what were the vapor pressures and boiling points of water, ethanol, and acetone?→ 蒸気圧は水 約 38.6 kPa、エタノール 約 88.0 kPa、アセトン 約 188 kPa の順に大きく、沸点は約 100℃、約 78℃、約 56℃ と低くなった。このときアセトンだけが沸騰していた。Vapor pressure increased from water (about 38.6 kPa) to ethanol (about 88.0 kPa) to acetone (about 188 kPa), and the boiling points decreased: about 100°C, 78°C, and 56°C. Only acetone was boiling at this setting.

4考えようThink further

1. 沸騰していない 95℃ の水でも液面から蒸発しているのに、なぜ液体内部に気泡ができないのでしょうか。Water at 95°C evaporates from its surface, so why do no bubbles form inside the liquid?→ 液体内部の気泡の中は蒸気だけで、その圧力は蒸気圧（約 84.5 kPa）である。周りからは外圧 101 kPa で押されるので、気泡は押しつぶされて存在できない。蒸気圧が外圧以上になって初めて気泡が成長でき、沸騰が起こる。A bubble inside the liquid contains only vapor, at the vapor pressure (about 84.5 kPa). It is pushed from outside by the 101 kPa external pressure, so it gets crushed and cannot survive. Only when the vapor pressure reaches the external pressure can bubbles grow, and boiling happens.
2. アセトンが水より低い温度で沸騰するのはなぜでしょうか。分子間の力から説明しましょう。Why does acetone boil at a lower temperature than water? Explain in terms of intermolecular forces.→ アセトンの分子間力は水（水素結合がある）より弱いので、同じ温度でも液面から飛び出せる分子が多く、蒸気圧が高い。そのため、より低い温度で蒸気圧が外圧に達する。Acetone's intermolecular forces are weaker than water's (which has hydrogen bonding), so at the same temperature more molecules can escape from the surface and the vapor pressure is higher. Its vapor pressure therefore reaches the external pressure at a lower temperature.

よくある誤解Common misconceptions

• 「水はいつでも 100℃ で沸騰する」という誤解。100℃ は外圧が約 101 kPa のときの沸点で、外圧が 30 kPa なら約 69℃、200 kPa なら約 120℃ で沸騰する。"Water always boils at 100°C." 100°C is the boiling point at about 101 kPa; at 30 kPa water boils at about 69°C, and at 200 kPa at about 120°C.
• 「沸点より低い温度では液体は気体にならない」という誤解。沸点以下でも液面からの蒸発は常に起きており、蒸気圧に応じた量の蒸気が存在する。"Below its boiling point, a liquid does not turn into gas." Evaporation from the surface happens at all temperatures, and there is always vapor present in an amount set by the vapor pressure.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)