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若いあなたに語る自然科学4 水の話(7)水の気液平衡状態

水を容器の中に入れておくと水のない空間部には気体の水分子が蒸発します。
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容器の周囲の温度を一定に保っておくと、液体の水と気体の水が均一に一定の温度になります。
このように温度が一定になった状態を平衡状態と呼びます。
このとき気体と液体のそれぞれの量に変化がなくなります。
この状態を気液平衡状態と言います。
気液平衡状態では、気体の水の圧力がその温度によって決まる一定の値になります。
このときの圧力を平衡蒸気圧と言います。
平衡蒸気圧は0℃では約100分の1気圧程度、100℃では1気圧というように温度によって
相当変化します。
何故このようになるのでしょうか?
気液平衡状態では1秒間に液体の水から気体になって出て行く分子の数と気体から液体の水の中に入ってくる分子の数が等しくなっています。
温度が上がると分子の運動が激しくなるために1秒間に液体の水から気体の水になる分子の数が増え、その分気体の自ら液体の水になる数も増えないとバランスが取れないので、自然に気体の中の分子の数が増えて圧力が上昇するという仕組みです。
(参考:圧力というのは気体の分子が運動をしていて壁に衝突するために発生する力で、分子の密度に比例して高くなります。)
by masaaki.nagakura | 2008-06-27 08:59 | 若いあなたに語る自然科学
若いあなたに語る自然科学4 水の話(6) 水の状態と分子運動
水は気体、液体、固体の3つの状態をとります。 それらの状態は、温度と圧力により変化します。(なお、温度と圧力をあげていくと超臨界と言う状態もとりますも、このことに関しては後述します)。
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このような状態の変化が起こるのは、水の分子が分子運動という運動をしていることと大変関係があります。
分子運動と言うのは水の分子が直進や回転運動をしているということです。
分子運動を直接見ることは出来ませんが水の中にある小さなもの、例えば牛乳の中の微小な油滴を顕微鏡でみると、うねうねと動いているのが見えます。これは水の分子に囲まれた油滴が水の分子からあちことたたかれて動いているものです。(この様な運動はブラウン運動と呼ばれています)水の分子そのものはもっと激しい動きをしているはずです。
一般に分子運動は温度が高い程激しいのですが、絶対零度(-273.15℃)で全く動かなくなり、絶対温度に比例したエネルギーを持った運動をします。
低い温度では、水の運動がのろく、水同士がしっかりとくっつきあって氷になっています。(正確には全てが氷ではなく、氷の周りの空気中にわずかな気体の水があります。)
温度が上がってくると水の分子の運動が激しくなり、相互の分子がしっかりとくっついた状態を保つことが出来なくなり、分子同士が緩やかにくっつきあった水、即ち液体の水になります。
液体の水は、温度が高くなるほど、分子が速く動くようになり、そうすると水の分子同士が引き合う力から離れて気体になるものが増えてきます。
by masaaki.nagakura | 2008-06-20 13:05 | 若いあなたに語る自然科学
若いあなたに語る自然科学4 水の話(6)固体、液体、気体の水
水の分子は相互に水素結合で比較的強く結び合うことが出来ることを話しましたが、この水素結合で相互の分子が規則正しく結びつくと、相互の分子はお互いに束縛し合って自由に動けなくなります。これが氷です。
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分子相互が、緩やかに水素結合で結び合うと、液体の水になります。
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そして分子が水素結合などで結びつかないで自由な状態が気体の水です。
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by masaaki.nagakura | 2008-06-20 08:50 | 若いあなたに語る自然科学
若いあなたに語る自然科学4 水の話(5) 水素結合
水の分子が次のような構造を持つことを話しました。
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水の分子はお互いに水素結合と言う形で結び合うことが出来ます。
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このような結合が起こるのは水の分子の4面体構造の中で水素がある2つの頂点の部分はプラスの電気を帯び、他の2つの頂点がマイナスの電気を帯びているためにそれらのプラスの部分とマイナスの部分が引き合うためと考えられています。
ひとつの水の分子は下図のように4つの水素結合を持つことが出来ます。
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この水素結合は水分子の中の酸素と水素の結合(共有結合)ほど強力ではないですが、普通の無極性の分子(分子にプラスとマイナスの部分を持たない分子)の間に働く力(ファンデルワールス力と呼ばれます)に比べて相当強力でこれがために水は他の分子に比べて特異な性質を持ちます。
by masaaki.nagakura | 2008-06-17 13:01 | 若いあなたに語る自然科学
若いあなたに語る自然科学4 水の話(4)水の分子構造
水は水素と酸素から出来ています。
水の分子構造を考えて見ます。
これは地球の空気と水を構成している原子達です。
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これらが化学結合をして空気や水の中の次のような分子を作ります。
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この中で水の分子を更に細かく見てみます。
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この構造の中の角度105度(より正確には104.5度)は酸素が正4面体の中心にあり、水素がその頂点にあるとした場合の角度109度(109.47度)に近いのです。この事は意味があります。
正4面体と言うのは正三角形が4つ組み合わさって出来た立体で、その頂点が4つありますが、その頂点に水素原子を配列すると次のようになります。ここで水色の玉が水素原子と思ってください。
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この正4面対の中心に酸素原子(緑色の玉であらわします)を置いてみます。
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この正4面体の中の水素2個と酸素を結合すると水の分子が構成されます。この中で楕円形の青色は共有電子の存在する場所を示すものと考えてください。
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ここで共有電子というのは水素原子と原子を結合している電子で2つの水素原子から各1個、酸素原子から2個だされています。そこでこの図に共有電子を入れると次のようになります。
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ところで水素原子と酸素原子を更に細かく見ると次のような構造をしています。
水素原子はプラス1の電気素量(1個の電子や陽子の持つ電荷で素電荷とも呼ばれます)を持つ原子核の周りに1個の電子が漂っています。酸素原子はプラス8の電気素量を持つ原子核の周りに8個の電子が漂っています。 酸素原子の持つ8個の電子のうち2個は内側の軌道に、6個が外側の軌道にあります。
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現在の物理学ではこれらの電子はある軌道の上を廻っているというより、ある範囲に漂っていると言った方が正確であるのでこのことをイメージであらわすと次のようになります。 
ここでK殻というのは最も原子核に近いところにある電子の居場所(電子軌道、電子レベル、量子状態とも言います)で、L殻と言うのは2番目の居場所です。
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表示を簡単にするために酸素の原子核とK殻をあわせたものを次の図の右のように表すことにします。
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すると酸素原子は次の右の図のように表せます。
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一般に化学反応に係る電子はその原子の1番外側の殻にあるもの(水素ではK殻、酸素ではL殻)ですので、このような表示が便利です。
さて、再度この様な表示で水の分子を構成してみると次のようになります。
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これは酸素原子のK殻が正4面体の中心にあり、L殻の電子はその中心から正4面体の頂点の方向に細長く伸びた4つの電子軌道の中に入った形です。L殻の6つの電子のうち2個は水素との共有結合につあくぁれていますが、他の4個は2個ずつその細長く伸びた軌道に収まっています。
この構造が水の特別な性質を作り出しています。
(つづく)   
by masaaki.nagakura | 2008-06-05 12:47 | 若いあなたに語る自然科学