超臨界流体2

超臨界流体とは何か

圧力・温度変化と物質の状態

まず上のグラフのＹ字形部分を見ていただきたい。これは物質が固
体、液体、気体に変化する状況を圧力と温度によって眺めたもので
ある。グラフによって区切られた部分がそれぞれ固体、液体、気体
の状態を示す領域であり、グラフはその境目である。

グラフに一本の横線を引いてみる。すると一定の圧力の元では固体
から液体、気体へと温度上昇によって変化する様が見て取れるだろ
う(横線１)。ところがグラフ下方を見ると、温度上昇に伴って固体
から気体へいきなり変る領域がある(横線２)。これは例えばドライ
アイスなどが液化せずにいきなり気化する状態を物語っている。よ
く知られている｢昇華｣と呼ばれる現象である。

ところでグラフの右上を見ると｢臨界点｣というポイントが見える。
物質は、その気体を一定の温度に保って圧力を上げていくと、ある
圧力のところで液化が始まる。であるけれども、その状態はいつま
でも続かず、ある温度から上では、どんなに圧縮しても気体は液化
しなくなる。こうしたポイントを臨界点と呼ぶ。この臨界点の発見
が、やがて酸素や窒素の液化技術をもたらし、工業や医療をはじめ
とする私たちの暮らしの役に立つことになった。

ところが、一定条件の中でこの臨界点を超えて圧力を与え続けると
それまで液体と気体に分かれていたものが、突然溶け合ってひとつ
の流体になってしまう。視覚的にいうと、それまであった気体と液
体の境目にあった液面が突如として消えてしまうのである。この状
態が｢超臨界流体｣と呼ばれる状態であり、グラフの拡大図部分に水
色で表示した領域がこれにあたる。

おおざっぱにいうと、超臨界流体の中では、液相の分子と気相の分
子が平衡的に混ざり合って物質をかたちづくっている状態といえよ
うか。ただ誤解のないように加えると、液体を攪拌してその中に目
にみえないほどの小さな気泡が混ざり合っている状態とは違う。別
のいい方をすれば、超臨界流体とは、気相の分子と液相の分子で構
成された特異な物質状態なのだ。その状況は下にある密度状況の概
念図を見ていただければ分かりやすいかと思う。

気体、超臨界、液体の密度状態

超臨界流体では、物質の分子間距離を自在に変化させることができ
るという。それは何を意味するか。そこに、超臨界流体が現在、サ
イエンスやエンジニアリングの世界で注目されている理由がある。

[3]へ続く