図1は、物質AとBからなる混合物の相図であり、与えられた文章の空欄を埋める、図中の点eにおける物質の状態を説明する、ギブズエネルギーの大小関係を比較する、指定された点における相数、成分数、自由度を求める問題です。

1. 問題の内容

図1は、物質AとBからなる混合物の相図であり、与えられた文章の空欄を埋める、図中の点eにおける物質の状態を説明する、ギブズエネルギーの大小関係を比較する、指定された点における相数、成分数、自由度を求める問題です。

2. 解き方の手順

(1) 文章の空欄を埋める

* ①, ②には物質の化学式が入る。図1の説明から、Aは水 ($H_2O$)、Bは塩化ナトリウム ($NaCl$) であることがわかる。

* ③, ⑤には図中の記号が入る。図を参考に、点alから温度を下げていくと、点bで純粋な塩化ナトリウムが析出し始める。よって、③はbとなる。点dまで冷却すると凝固し始める。よって、⑤はdとなる。

* ④には、残った液体中の塩化ナトリウムの濃度がどうなるか記述する。塩化ナトリウムが析出することで、液体中の塩化ナトリウムの濃度は小さくなる。

* ⑥には、dの組成を持つ溶液が何と呼ばれるか記述する。図の説明より、共晶組成と呼ばれる。

* ⑦には、共晶組成の温度が何と呼ばれるか記述する。図の説明より、共晶点と呼ばれる。

* ⑧には、点bが水の何点であるか記述する。点bは水の凝固点である。

* ⑨には、点bの温度を記述する。図から0℃である。

(2) 図1中の点eにおける物質の状態を説明する。

点eは固相と液相が共存する領域である。水と塩化ナトリウムが共存し、どちらも液体として存在している。

(3) 溶媒のギブズエネルギーの大小について

* (ア) a1とa4のギブズエネルギーを比較する。a1の方が温度が高いため、ギブズエネルギーは大きい。よって、a1 > a4。

* (イ) bとa3のギブズエネルギーを比較する。bの方が温度が低いため、ギブズエネルギーは小さい。よって、b < a3。

* (ウ) a2とdのギブズエネルギーを比較する。a2の方が温度が高いため、ギブズエネルギーは大きい。よって、a2 > d。

(4) 各点における相数、成分数、自由度を求める

* 成分数Cは、水($H_2O$)と塩化ナトリウム($NaCl$)の二成分系なので、C=2となる。

* 自由度Fは、$F = C - P + 2$で計算する。

* 点c：P=1 (液相), C=2, F=2-1+2=3

* 点a3：P=1 (液相), C=2, F=2-1+2=3

* 点d：P=2 (固相2つ), C=2, F=2-2+2=2

3. 最終的な答え

(1)

図1は、(水$H_2O$)と(塩化ナトリウム$NaCl$)の相図である。

点alから温度を徐々に下げていくと、点(b)で純粋な(塩化ナトリウム$NaCl$)が析出し始める。

さらに温度を下げていくと、かなりの量が析出し、残った液体中の塩化ナトリウムの濃度は(小さ)くなる。

点(d)まで冷却すると、溶液は凝固し始める。dの組成を持つ溶液を(共晶)組成といい、水と塩化ナトリウムが同時に結晶化する温度である。

この温度を(共晶)点と呼ぶ。bは水の(凝固)点であり、(0)℃である。

(2)

点eにおいて、水と塩化ナトリウムが液体として共存している状態である。

(3)

(ア) a1 > a4

(イ) b < a3

(ウ) a2 > d

(4)

点c: P=1 C=2 F=3

点a3: P=1 C=2 F=3

点d: P=2 C=2 F=2