実在気体と理想気体

根拠は高等学校学習指導要領（平成30年告示）「化学」の内容 (1) ア (ｱ) ㋑「気体の性質」。
内容の取扱いは「実在気体も扱うこと」を求めており、解説は理想気体との違いと
「理想気体の状態方程式の適用条件」を扱うとしている。

0. どういう論点か

pV = nRT は、2 つの都合のよい仮定の上に成り立っています。実際の気体はどちらも満たしません。

引っかけの分かれ目は次の 3 つ。

• 高温・低圧ほど理想気体に近づく（分子が遠く、速く動くため）
• 分子自身の体積は pV を大きくする側、分子間力は pV を小さくする側にずらす
• 理想気体は冷やしても液体にならない（分子間力が無いので集まれない）

1. 理想気体という約束

根拠: 学習指導要領 化学-(1)-ア-(ア)-㋑

理想気体とは、どんな気体のことか？

分子自身の体積が無く、分子間力も働かないと仮定した気体

pV = nRT が厳密に成り立つ、都合のよい模型。

理想気体を冷やしていくと、やがて液体になるか？

ならない

分子間力が無いので、集まって液体になることができない。

実在気体が理想気体とずれるのは、どんな理由からか（2 つ）？

分子自身に体積があることと、分子間力が働くこと

この 2 つを無視した式が pV = nRT。

2. どんな条件でずれるか

根拠: 学習指導要領 化学-(1)-ア-(ア)-㋑

「分子どうしが遠く、速く動いていれば、理想気体に近い」と考えると全部説明できます。
遠ければ分子の体積も分子間力も効かず、速ければ引き合っても捕まりません。

実在気体が理想気体に近づくのは、どんな条件？

高温・低圧

分子の間隔が広く、熱運動が激しいほど、2 つの仮定が実際に近くなる。

圧力を高くしていくと、実在気体が理想気体からずれるのはなぜ？

分子どうしが近づき、分子自身の体積と分子間力が無視できなくなるから

押し込むほど「点ではない」ことが効いてくる。

温度を下げていくと、実在気体が理想気体からずれるのはなぜ？

熱運動が弱まり、分子間力の影響を受けやすくなるから

やがて凝縮して液体になる。

分子間力が強い気体ほど、理想気体からのずれは大きいか小さいか？

大きい

同じ条件なら、H₂ や He より NH₃ や H₂O のほうがずれる。

同じ条件で比べたとき、He と CO₂ では理想気体に近いのはどちら？

He

分子が小さく、分子間力（ファンデルワールス力）が弱いため。

3. ずれの向きを読む

根拠: 学習指導要領 化学-(1)-ア-(ア)-㋑

ずれには向きがあります。2 つの原因は逆向きに効くので、
どちらが勝っているかで pV / (nRT) が 1 より大きくも小さくもなります。

分子間力だけが効いているとき、実在気体の pV は理想気体より大きいか小さいか？

小さい

引き合うぶん、壁にぶつかる勢いが弱まり、圧力が小さくなる。

分子自身の体積だけが効いているとき、実在気体の pV は理想気体より大きいか小さいか？

大きい

分子が動ける空間が見かけより狭く、そのぶん圧力が大きくなる。

非常に高い圧力では、pV / (nRT) は 1 より大きくなるか小さくなるか？

大きくなる

分子自身の体積の効果が、分子間力の効果を上回るため。

中くらいの圧力で pV / (nRT) が 1 より小さくなるのはなぜ？

分子間力の効果のほうが大きいから

圧力を上げていくと、いったん下がってから上がる曲線になる。

理想気体では、pV / (nRT) はどんな値になる？

どの温度・圧力でも常に 1

実在気体のグラフは、この 1 の水平線からのずれとして読む。