標準温度および圧力 (STP) は、国際的に合意された化学実験用の測定基準を指します。
International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) によると、現在受け入れられている標準温度と圧力の値は 273.15 K (0 °C) です。 正確に 100kPa (0.986923 atm) (kPa =キロパスカル)。 STP の目的は、データを解釈して比較するための共通の実験ベースラインを化学者に提供することです。
STP の IUPAC 定義は、広く受け入れられているわけではありません。たとえば、ほとんどの化学の教科書では、依然として 1 気圧の標準圧力値が使用されています。業界が異なれば、彼らの関心が正確に何であるかに応じて、異なる標準が使用されます。たとえば、米国国立標準技術研究所 (NIST) は STP を 293.15 K (20 °C) および 1 気圧 (101.325 kPa) と定義し、国際標準メートル条件 (ISMC) は STP を 288.15 K ( 15 °C) および 101.325 kPa。 STP の正確な値はコンテキストによって異なる場合がありますが、基本的な考え方は同じです。 STP 値は、物質の挙動を観察および説明するための、一般的に合意された一連の実験条件を提供します。
なぜ基準が必要なのか?
物質の挙動は温度と圧力によって大きく変化するため、化学者は STP 定義を必要とします。 STP 定義は、化学者が「通常の」条件下でガスがどのように振る舞うかを説明するための共通の参照ポイントを提供します。科学者は、STP 定義などの標準を 2 つの目的で使用します。特定の定量的指標を定義し、一貫した再現可能な実験を可能にするためです。
誰かがメタンのモル体積が 22.4 リットル (L) だと言ったと想像してください。物質のモル体積は、その物質の 1 モルがどれだけの空間を占めているかの尺度にすぎません。それだけでは、この値はあまり有益ではありません。気体の体積は圧力と温度によって大きく変化することが知られているため、正確な温度と圧力に応じて、気体は複数のモル体積を持つ可能性があります。 22.4 L のモル体積測定をより意味のある量にするために、温度と圧力を指定する必要があります。科学者は、ガスの定量的特性を報告するために事前定義された温度と圧力に同意しています。たまたま、STP (273.15 K、100kPa) での任意の気体 1 モルの体積は 22.4 L です。体積、体積流量、圧縮率などの気体の定量的測定はすべて、定義された圧力に関して定義する必要があります。
化学者はまた、実験的試験が同じ条件であることを確認できるように、実験基準を採用します。実験条件が異なると、実験の結果が変わる可能性があるため、科学者は、結果の信頼性と再現性を高めるために標準条件に同意します。科学者が実験の設定について十分な情報を提供しない場合、他の科学者はその発見を再現しようとすることができません。実験データの確認には再現性が不可欠です。
アリスがガスの 1 つのサンプルに対して実験を行い、その動作を記録したとします。しかし、彼女は実験が行われた温度と圧力を記録していません。次に、ボブはアリスの実験を再現しようとしますが、アリスの実験で作用している圧力と温度がわからないため、異なる結果が得られます。このような状況が発生しないようにするために、STP 定義が存在します。標準条件は、科学者が実験を行ってデータを比較するための共通の参照フレームを提供します。
STP 値の使用
受け入れられた STP 値を使用して、通常の条件下でのガスの挙動を予測できます。理想気体の法則の方程式を使用 PV =n RTでは、特定のガスがさまざまな圧力と温度の下で持つ必要がある特性を計算できます。これらの例では、簡単にするために 1 気圧の標準的な圧力値を使用します。これは、R 定数の最も一般的な値 (0.08206) が圧力の気圧で表されるためです。
Q:1.4 モルの水素ガス (H2) のサンプルの体積は? ) STP?
解決策:
STP 条件が 273.15 K および 1atm として定義されていることを思い出してください。 R の値は 0.08206 です。理想気体の法則の方程式では、P は一般に次の式で表されます。これらの値を理想気体の法則の方程式に代入すると、次のようになります。
(1atm)(V) =(1.4mol)(0.08206)(273.15K) =31.4 L .
1.4 モルの水素ガスは 31.4 リットルのスペースを占有します。答えの計算が、水素ガスの特定の特性には依存せず、水素ガスの量だけに依存していることに注意してください。
STP 条件を使用して、特定の温度と圧力の下でガスがどのように振る舞うかを推定することもできます。以下に例を示します:
Q:気体の体積が 5 気圧、300 K で 0.13 L の場合、STP 条件での体積は?
解決策:
これを理解するために、理想気体の法則から派生した法則を使用できます。この法則は、圧力と体積の積と温度の比が一定量の気体に対して一定に保たれることを示しています。数学的には、これは:
P1 V1 / T1 =P2 V2 / T2
この方程式を使用して、新しいボリュームを見つけることができます。取得した値を差し込む:
(0.15L)(5atm)/300K =V2 (1気圧)/273.15K)
V2 を解く
(0.15L⋅5atm/300K)⋅273.15 =V2 =0.68 L
したがって、ガスは STP 条件で 0.68 リットルの体積になります。
さらに、STP 条件を仮定すると、理想気体の式を単純化できます。通常、式は
PV =nRT
STP 値を仮定すると、P=1 および T=273.15 です。したがって、STP 値でのガスのサンプルの一般的な状態方程式は次のように書くことができます
V =nR(273.15).
この式は、STP 条件でのガスのモル体積を求めるためにも使用できます。ガスのモル体積は、1 モルのガスが占める体積にすぎないため、n=1 と設定すると、次のようになります。
V =R(273.15) =~22.4 L
この式は、STP 条件での任意の気体 1 モルの体積が 22.4 リットルであることを示しています。興味深いことに、ガスのモル体積は、ガスの特定の化学的性質とはまったく無関係です。
なぜその価値があるのですか?
科学者が合意された基準を使用する理由を説明することは 1 つのことです。科学者が特定の基準を使用する理由を問うことは、別の問題です。 IUPAC が STP を 273.15 K および 100 kPa と定義しているのはなぜですか?なぜ 100 K と 50 mmHg ではないのですか?
歴史的に、標準的な温度と圧力は、海面での温度と圧力、つまり約 15 °C と 1 気圧にほぼ等しいと定義されていました。これらの値は、ラボで非常に制御された条件を作成する技術が不足しているため、理にかなっています。当時、化学実験を行っていたほとんどの人はそのような環境に身を置くことになったので、それらの値を基準として設定することは理にかなっています。当時、摂氏の温度スケールは、水の凝固点と沸点に基づいていました。水の沸点は正確に 100 °C、凝固点は 0 °C と定義されました。
もともと、1 気圧 (atm) は、海抜 760 mm の高さの水銀柱 (Hg) によって加えられる圧力として定義されていました。エヴァンジェリスタ トリチェリ (1608-1647) は、大気の影響下で水銀柱が上昇すると予想される高さとして 760 mm の値を計算しました。トリチェリは、観測された水柱の高さの値を取得してこの値を導き出し、水星の密度の増加による高さの予想差を計算しました。この値は、水銀気圧計が広く使用されたため、かなり長い間持続しました.
20 世紀初頭までに、ほとんどの科学組織は 0 °C と 1 気圧の値を標準として使用するようになりました。米国で新たに活況を呈している石油およびガス産業など、多くの商業産業は、業界と技術がこれらの値に基づいて設定されているという理由だけで、標準として 15 ～ 20 °C の温度を使用し続けました。科学組織は、十分に理解されている物質 (水) の相挙動に基づく「よりクリーンな」値を表す 0 °C の標準に移行しました。
1982 年、IUPAC は STP 条件の定義を 273.15 K および 100kPa に変更しました。この変更は、SI 単位で完全に表現できる単位で STP 条件を表現したいという願望によって動機付けられました。ケルビン温度スケールは、SI で受け入れられている温度の基本単位であり、正確に 273.15 K として定義される水の三重点に基づいています。パスカルは、1 平方メートルあたりのニュートン (N /m²)、どちらも SI 量です。結局のところ、1 気圧は 101.325 kPa に等しいため、標準気圧で定義された 100 kPa の値は古い値と連続しています。今日、ほとんどの科学者は SI 単位のみを使用することを好みます。これは、SI 単位が自然界で見られる不変の物理定数に基づいているためです。
要約すると、標準温度と圧力 (STP) は、圧力と温度について合意された実験基準です。 STP 定義は、化学者が実験を実行し、データを解釈し、結果を伝達できる共通のベースラインを設定するために存在します。物質の挙動は温度と圧力に大きく依存するため、正確で再現性のある実験を可能にする基準が存在する必要があります。 1982 年に IUPAC によって定義され、学術化学者の大多数によって使用されている現在の STP 値は、273.15 K および 100 kPa です。関心に応じて、他の STP 定義がさまざまな分野に存在します。
