薬剤師国家試験過去問題解答解説 物理 熱力学・化学ポテンシャル 105回問5

第105回薬剤師国家試験 問5

 

混合物中の1つの成分の化学ポテンシャルは、圧力と温度が一定の条件下、混合物中にその成分を1mol加えたときの、系全体の(   )の変化量として定義される。
(   )にあてはまる熱力学量はどれか。1つ選びなさい。

 

1 内部エネルギー
2 エンタルピー
3 エントロピー
4 ギブズエネルギー
5 ヘルムホルツエネルギー

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第105回薬剤師国家試験 問5 解答解説
正解は4のギブズエネルギーである。

 

化学ポテンシャルの定義を問う問題である。
教科書においては、薬剤師国家試験の出題によらず、化学ポテンシャルについて学ぶ意義を踏まえた上で、重要事項として化学ポテンシャルの本来の定義が記述されてきた。
しかし、105回薬剤師国家試験が行われる前まで、薬剤師国家試験対策の参考書等では、化学ポテンシャルの説明として「定温定圧下におけるある成分1mol当たりの系のギブズエネルギー」という記述がされてきた。この記述は化学ポテンシャルの部分的な説明であり、本来の定義を表すものではない。
第105回薬剤師国家試験で化学ポテンシャルの定義が出題されたことにより、これ以降、薬剤師国家試験対策の参考書等の化学ポテンシャルの説明において、一斉に加筆・修正が行われると考えられる。
時間との兼ね合いはあるが、何かをゼロから勉強する際は、教科書やネットなら専門家の記述で固めることが大切である。

 

 

☆ 化学ポテンシャルの概要

 

系のある成分iの化学ポテンシャルμ(ミュー)について、次式が成り立つ

 

薬剤師国家試験過去問題解答解説 物理 化学ポテンシャル 105回問5

 

Gは系のギブズ自由エネルギー、Niは成分iの物質の量、
添え字のPは定圧、添え字のTは定温、
添え字のNj(j≠i)はi以外の成分の量が一定であることを示す。

 

成分iの化学ポテンシャル(μi)は、圧力,温度,他成分の量を一定値とし、系のギブズ自由エネルギー(G)を成分iの物質の量(Ni)で偏微分したものである。

 

この式より、
化学ポテンシャルとは、定温,定圧,他成分の量が一定の条件における、ある成分iの単位量変化に対する系のギブズの自由エネルギーの変化量だといえる。
化学ポテンシャル(μi)は、定温,定圧,他成分の量が一定の条件における、ある成分iが単位量変化したとき、系のギブズの自由エネルギーがどれだけ変化するのかを示す。
単位量は1個であったり1molであったりする。

 

ある物質が1mol増えることに対する系のギブズの自由エネルギー変化量を部分モル自由エネルギーという。
よって、単位量を1molとするときの化学ポテンシャルは部分モル自由エネルギーに等しい。

 

化学ポテンシャルはある成分1mol当たりのギブズ自由エネルギー(モル自由エネルギー)と言われることがある。
この記述は、系によって当てはまる場合と当てはまらない場合がある。
当てはまる場合の一例として、系が一成分系の時(系が純物質の時)が挙げられる。

 

 

〇 モル自由エネルギーと部分モル自由エネルギーの違い
「モル自由エネルギー」と「部分モル自由エネルギー」は異なる。
「モル自由エネルギー」は、ある成分1mol当たりの自由エネルギーである。
「部分モル自由エネルギー」は、ある成分を1mol加えることに対する自由エネルギーの変化量である。

 

なお、一般に部分モル量とは、ある成分を1mol加えることに対する変化量である。
部分モル体積なら、ある成分を1mol加えることに対する体積の変化量である。

 

 

〇 化学ポテンシャルは示強性状態関数
ギブズ自由エネルギー(G)は示量性状態関数である。
しかし、化学ポテンシャルはギブズ自由エネルギー(G)を物質の量(N)で偏微分したものであり、単位量当たりという意味合いを帯びた値なので、示強性状態関数である。

 

 

〇 化学ポテンシャルと分圧,モル分率,濃度等との関係式

 

系の成分iの化学ポテンシャル(μi)と分圧,モル分率,濃度等との関係式として、次式が成り立つ。

 

μi = μ゜i + RTlnXi

 

Rは気体定数,Tは絶対温度
Xiは成分iの変数Xであり、変数Xは分圧(P),モル分率,濃度等の変数が入る。

 

μ゜iは成分iの標準化学ポテンシャルであり、標準圧力(1barまたは1atm),Xi=1における成分iの化学ポテンシャルという定数である。成分iの標準化学ポテンシャル(μ゜i)は、系によって様々な意味をもつ定数であり、系に合わせて意味づけをしなければならない。

 

 

〇 自発的な変化・平衡状態における化学ポテンシャル
自発的な変化では、化学ポテンシャルの高い方から低い方に向かって物質が移動・変化する。
自発的な変化では、化学ポテンシャルの高い成分の量は減り、低い成分の量が増えることになる。

 

物質の移動・変化に伴い、各成分の化学ポテンシャルは変化する。

 

各成分の化学ポテンシャルが等しくなる時、物質の移動・変化は見かけ上止まる。
平衡状態では、各成分の化学ポテンシャルは等しい。

 

★ 参考外部サイトリンク
Wikipediaさん 化学ポテンシャル

 

すごいぞ!化学ポテンシャル

 

EMANの物理物理学さん 化学ポテンシャル

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