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若いあなたに語る自然科学4 水の話(12)液体の水の中のイオンの移動
液体の水の中にプラスとマイナスの電極を入れると水の中のプラスイオンはマイナスの電極に向かって移動し、マイナスのイオンはプラスの電極に向かって移動します。特に水素イオン(H3O+)とOH-イオンは(11)で述べたようにプロトン移動と言う仕方で移動しますが、そのほかのイオンはそれ自身が水の中を動いて移動します。
次はマイナスイオンが水の中を移動するイメージです。
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イオンは周りの水分子をピタピタ吸い付けている状態ですので、前述のプロトン移動のように速く動くわけにはいきません。
イオンの移動速度はイオンの径が小さいほど速いと思われるかも知れませんが、実際には逆でイオンの径が小さいほど移動速度は緩やかです。これはイオンの径が小さいほど周りの水分子をひきつける力が大きく、沢山の水分子をひき付けていて、移動に抵抗が生じるからです。
by masaaki.nagakura | 2008-07-17 09:04 | 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 (11)液体の水の中のプロトン移動
液体の水の中の水素イオン(H3O+)は通常の水分子(H2O)にプロトンが加わったものですが、そのプロトンを隣の水分子が受け取ると水素イオン(H3O+)は通常の水分子(H2O)に戻り、プロトンを受け取った水分子(H2O)が水素イオン(H3O+)になります。このようなプロトンの移動が次々に起こっていく現象がプロトン移動です。
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また、OH-イオンが隣の水分子からプロトンを受け取ると通常の水分子(H2O)になり、プロトンを与えた隣の水分子(H2O)はOH-イオンになります。このようにプロトンが移動するのもプロトン移動と言えます。
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水の中に電場をつくると(水の中にプラスとマイナスの電極を入れる)と水素イオン(H3O+)とOH-イオンが移動しますが、実際にはイオンそのものが移動するというよりこの様なプロトンの移動が起こっていると考えられます。
特に水素イオン(H3O+)は電場の中を他のイオンに比すると非常に速やかに移動することが知られていますが、これは水素イオン(H3O+)が移動するのではなくプロトンが移動すると考えることで説明が出来ます。
by masaaki.nagakura | 2008-07-15 08:42 | 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(10)水素イオンとOHイオン
液体の水の中のイオンで特別なのは水素イオン(H+)とOHイオン(OH-)です。
水素イオン(+)と言うと水素原子が電子をなくしたものがあるかのように想像するかも知れませんが、実際は水の分子に水素の原子核がくっついた次のような形をしているようです。
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ですから水素イオンの記号はH+というよりH3O+と記した方が正確といえます。
ここで青丸に+で表示された水素の原子核と言うのは陽子またはプロトンとも呼ばれるものです。
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以降水素の原子核をプロトンと呼びます。
OHイオン(OH-)は水の分子からプロトンが一個はずれた形と考えられます。
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水分子から水素イオンが出来るのは次のように水素結合をしている二つの水の分子の一方のプロトンが他方に移動することにより出来ます。
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純粋な水でも水素イオンとOHイオンは存在し、ほぼ同数存在しますが、それは上の図のように水分子から水分子へのプロトンの移動が絶えず起こっているからと考えられます。
水素イオンの比率が増えると酸性の水となりOHイオンの比率が増えるとアルカリ性の水になります。(続く)
by masaaki.nagakura | 2008-07-11 13:00 | 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(10)水の中のイオン
自然界にある液体の水の中には多くのイオンが溶け込んでいます。
私達の飲み水もこのイオンの溶け具合で美味しくも不味くもなります。
特にカルシウム(Ca++)とマグネシウム(Mg++)のイオンを多量に含むと硬水と言われる水で飲んで腹を壊すこともあります。 でもそれらが全くないと味気ない水になります。
自然界にはそれらのイオンを適度に含んでいるものがあり、ナチュラルミネラルウォータとして販売されています。
海水には多くの塩分が溶け込んでいますが、そのイオンの大部分はナトリウムイオン(Na+)と塩素イオン(Cl-)です。
酸性雨というのは水素イオン(H+)を多く含み、同時に硫酸イオン(SO4---)、硝酸イオン(NO3-)、塩素イオン(Cl-)等のいずれかのマイナスイオンを含んでいます。
このように液体の水にイオンが良く溶けるのは何故でしょうか?
そもそもイオンと言うのは原子又は分子から電子がとれてプラスに帯電したもの、或いは原子又は分子に電子がくっついてマイナスに帯電したものです。
ところで水の分子はプラスに帯電した部分とマイナスに帯電した部分を持っています。
そこで液体の水の中でプラスのイオンには周りの水の分子のマイナスの部分がピタピタとくっついたようになっています。
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マイナスのイオンには水の分子のプラスの側(水素の側)がくっついた形になっています。
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このような形いなるのでイオンは水の中で安定した形で居続けることが出来ます。
by masaaki.nagakura | 2008-07-11 08:42 | 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(9)超臨界水
水の温度と圧力をある限界以上にあげると、液体とも気体とも言えない超臨界水というものになります。その限度の温度は臨界温度と呼ばれ、374℃、圧力は臨界圧力は218気圧です。
この状態は水素結合をしている分子もあるし、水素結合をしていない分子もある状態と考えられます。次の図は超臨界水の分子レベルの構造のイメージです。
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このような超臨界水は圧力を変えずに温度を下げていくと液体の水になります。温度を変えずに圧力を下げていくと気体の水になります。その意味で超臨界水は「液体でもなければ気体でもない」と言うより「液体でもあり、気体でもある」と言った方がふさわしいかも知れません。
超臨界水は反応性が非常に高く、多くの有害物質を無害化し、しかもその際にエネルギーを発生するので未来のエコロジカルな技術の有用な種と言えるでしょう。
by masaaki.nagakura | 2008-07-09 08:59 | 若いあなたに語る自然科学
小川町の人と自然54 オムラサキの放蝶
7月6日小川町の千元山の麓でオオムラサキの放蝶がありました。
何年も前から続いているのですが、私は初めてでした。
私が小中学生の頃は蝶々の採集に熱中した時期がありましたが、その頃オオムラサキと言うのは夢の蝶でした。それがまじかに観られるので感激でした。
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やはりオオムラサキは美しい。
by masaaki.nagakura | 2008-07-08 08:55 | 小川町の人と自然
若いあなたに語る自然科学4 水の話(8)固液平衡状態
水の入った容器を冷却していきますと、液体の水の上に固体の水即ち氷が出来ます。
このように固体と液体が触れ合いながら共存し続ける状態は固液平衡状態です。
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気液平衡状態というのは幅広い温度範囲であるのですが、固液平衡状態というのは融点と呼ばれ1気圧では0℃です。周囲の温度が0℃を上回ると全てが液体になるし、0℃を下回ると全てが固体になります。 どうしてそうなるのでしょうか?
固液平衡状態と言うのは、分子レベルでみると単位時間に固体から液体になる分子の数と液体から固体になる分子の数が等しい状態です。
0℃というのは丁度それらの数が等しくなる温度で、これより温度が上がると、固体から液体になる分子の数は多くなり、逆に液体から固体になる分子の数が減ります。結局0℃を超えると全ての固体分子が液体分子になってしまいます。
0℃より温度が下がると上記と逆に全ての液体分子が固体分子になってしまいます。
以上が水の固液平衡状態が0℃付近にしかないと言う理由です。
なお、固液平衡状態の温度即ち融点は圧力を加えると低下します。
例えば100気圧で-1℃近く(-0.8℃?)になります。
by masaaki.nagakura | 2008-07-04 08:59 | 若いあなたに語る自然科学
小川町の人と自然53 田植
晴れの日が少なく稲の苗の伸びが遅かったのですが、ようやく田植えが出来る程度に生えそろいました。
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田植えは苗取から始まります。
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苗が一握り集まると米わらを一本で結びます。
次は結び方の順序です。
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それから田植えです。
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なお、田植えに先立って田の面を水平にならす作業もあります。
次は上の写真の田んぼでの田植えの1週間後に行った別のもういひとつの田んぼでの田ならしの写真です。
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by masaaki.nagakura | 2008-07-03 08:56 | 小川町の人と自然
私の旅7 二宮町の尊徳資料館
栃木県二宮町にある尊徳資料館を訪ねました。
近くに尊徳が桜町の復興において10余年に亘り寝泊りをし、指揮を執った陣屋もあります。
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尊徳資料館に二宮尊徳の歌で好きな「天地の和して一輪福寿草 さくやこの花幾代経るとも」が記された益子焼の湯飲みが販売されていたので買いました。
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by masaaki.nagakura | 2008-07-02 10:44 | 私の旅