標準状態

標準状態：科学における共通の基準点

物理学、化学、工学の分野において、測定値を比較する際には、共通の基準となる状態が必要です。それが標準状態です。標準状態は、熱力学的な状態量、例えばエンタルピーやエントロピーといった、平衡状態に依存する物理量を比較するための基準として用いられます。

標準状態の定義は、完全に人為的なものであり、理論的な裏付けはありません。歴史的には、人間の自然認識に基づいて設定されてきました。そのため、分野や学会、国際規格団体によって定義が異なり、しばしば混乱が生じています。特に気体の標準状態については、様々な定義が用いられています。

日本熱測定学会は、この混乱を解消するため、標準大気圧（1 atm = 101325 Pa）を統一的な標準圧力として用いるべきだと主張し、啓蒙活動を行っています。これは地球の大気の標準的な圧力であるため、科学的な測定において広く利用しやすいという利点があります。

標準圧力：様々な定義と混乱

標準状態において、圧力は標準圧力と呼ばれます。しばしば、記号°を付けてp°と表記されます。しかし、標準圧力としてどのような値を用いるかは明確に定義する必要があります。

歴史的に用いられてきた標準圧力として、標準大気圧（1 atm = 101325 Pa）があります。一方、1982年には国際純正・応用化学連合（IUPAC）が、105 Paを標準状態圧力（standard-state pressure, SSP）として推奨しました。

このIUPACによる推奨は、1960年の国際単位系（SI）の採択と、1969年のIUPACグリーンブック出版によるSIへの転換に伴うものです。1970年代のグリーンブック改訂において、標準大気圧がSI単位系ではないことから、SSPを1 atmから105 Paに変更する提案がなされ、IUPACはこれを推奨しました。

しかし、2004年当時でも、このIUPACの推奨は広く受け入れられておらず、化学熱力学のデータベースには、101325 Paと105 Paの二種類の標準圧力に基づいた値が存在し、混乱を招いています。例えば、CODATA（科学技術データ委員会）はIUPACの推奨に従って後者を採用していますが、理想気体のモル体積などの値は両方の標準圧力に基づいて発表されています。

この混乱は、標準状態が単位の選び方ではなく、(仮想的な)測定条件、基準とする量の選び方であることに起因しています。物理理論は単位の選び方には依存しませんが、標準生成エンタルピーなど、標準状態の設定に依存する量は、単位の変更とは異なる形で変化します。さらに、105 Pa自体は、SI単位系と完全に整合した単位ではないという点にも注意が必要です。

温度と圧力の標準条件：SATP、STP、NTP

標準状態における温度としては、25℃（298.15 K）や0℃（273.15 K）がよく用いられます。これらと標準圧力を組み合わせた標準条件としては、SATP、STP、NTPなどが知られています。

SATP (標準環境温度と圧力): 25℃、105 Pa
STP (標準温度と圧力): 0℃、105 Pa (1990年以降)
* NTP (標準温度と圧力): 0℃、101325 Pa

1990年以前は、STPとNTPは同じ定義でした。現在でも、どの条件を用いるかは地域や分野によって異なっており、例えば『アトキンス物理化学要論』ではSATPが主流だがSTPも使われているとされています。一方、『ボール物理化学』ではSTPが最も一般的であると記述されています。日本では、単に「標準状態」といえば、0℃、1 atm (NTP) を指すことが多いです。

気体の標準状態：理想気体と実在気体

1モルの理想気体の体積は、SATPでは24.8リットル、STPでは22.7リットル（1990年以前は22.4リットル）、NTPでは22.4リットルです。

実在気体の標準状態は、SSP下にある純物質の理想気体として定義されます。これは仮想的な状態です。例えば、298KにおけるH₂O(gas)の標準状態は、105 Pa（または1 atm）においても凝縮しない水蒸気であり、これは現実には存在しません。しかし、多くの場合、SSP下で現実的に気体として存在する物質は、理想気体とみなせるため、この仮想的な状態が利用されます。

物質の標準状態：様々な状態の定義

温度Tにおける物質の標準状態とは、温度T、標準状態圧力p°におけるその物質の純粋な状態、または仮想的な状態です。標準状態にある物質の熱力学量は、標準状態における量であることを示すために°を付けて表されます（例えば、標準生成エンタルピーΔfH°）。

液体と固体の標準状態は、純物質がSSP下にある状態です。気体の標準状態は、SSP下にある純物質の理想気体という仮想的な状態です。

溶液の標準状態は、溶媒と溶質で定義が異なります。溶媒の標準状態は純溶媒の標準状態に等しく、溶質の標準状態は、質量モル濃度1 mol/kgの仮想的な理想希薄溶液です。この仮想溶液は、溶質と溶媒の相互作用は現実の溶液と同じですが、溶質同士の相互作用は全くないという、理想的な状態です。現実の溶液では濃度ゼロの極限で溶質間の相互作用はゼロとなるため、標準反応エンタルピーなどは無限希釈状態への外挿値として求められます。

このように、標準状態の定義は物質の状態によって異なり、複雑な場合もあります。しかし、これらの定義によって、標準状態における熱力学量の比較が可能になり、化学反応や物理現象の理解を深める上で重要な役割を果たしています。

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