エネルギーと不安定さ

質問

温度が高くなると気体が水に溶けにくくなるのは、温度が高くなると分子の運動エネルギーが大きくなり、そうすると不安定になるために気体は溶けなくなる、と聞きました。
エネルギーが大きくなると不安定になるのはなぜなのでしょうか？
教えてください。

回答No.4

DexMachina · ベストアンサー

No.2です。

> たとえではなく本当の理屈を理解することが可能でしょうか？

前回も少し触れたように、気体分子と水との間には、分子間引力は殆ど働いていません。
そのため、「気体が水に溶けている」というのは、「水分子の網目の間に、気体分子が
閉じ込められている」だけの状態といえます。

従って、気体分子の移動速度が大きい(=温度が高い)ほど、気体分子は水の網目から
抜け出しやすくなります。
また、高温になると水の密度は低下(=同じ質量で体積は増加)しますが、水分子1個が
占める体積は(殆ど)変わらないので、水分子の網目の間隔は大きくなる方向のはず
ですから、これも、高温下で気体分子が抜け出しやすくなる要因として挙げられると
思います。
(なお、気体の圧力を上げると水に溶ける気体の量も上がる、というのを中学か高校で
　習った(→あまり昔すぎてどちらだったか忘れてしまいましたが)かと思いますが、
　これも、気体の圧力が上がることで水面に衝突する気体分子が多くなり、水の網目に
　突き刺さる確率が上がるため、と考えることができます)

上記のようなことから、「高温であるほど、気体分子が溶けた状態を保つことができない」
ことになります。
(前回は「なんとなく～不要な気も」と言いましたが、改めて考えてみると、「不安定」と
　いうのは、「その状態を保てない」ということの言い換えでしかないように思います。
　つまり、同じ意味のことを重ねて言っているので、余計に混乱を招く、と)
・・・あまりご期待に沿えるような説明にならなかった気が・・・(汗)

なお、溶質が固体の場合は、「溶質-溶質」「溶質-溶媒」「溶媒-溶媒」のそれぞれで
分子間力が働く分、気体の場合よりも複雑です。
(砂糖や食塩のように、高温の方が溶解度が高くなるものが多い一方、硫酸カルシウム
　(確か・・・)のように、高温にすると逆に溶解度が低下するものもあります)

*その「より複雑なもの」と比較して「自明」と結論されるNo.3の方の回答は、私としては
　首を傾げざるを得ません。

回答No.3

noname#160321

>エネルギーが大きくなると不安定になるのはなぜなのでしょうか…
＃２のお答えで細かく説明されていますが、「エネルギーが大きくなると不安定になる」という「言明」は必ずしも正しくありません。
例えば熱せられた窒素は不安定かと言ったら、分子が開裂するほど熱せられれば不安定かも知れない。ということになるでしょう。
つまり、安定か不安定かは「その状態よりエネルギー的に低い状態がある場合」に、はじめてそちらへ「遷移」する可能性があることになります。
窒素を加熱して窒素分子を開裂させるとしたら原子状態と分子状態の間に平衡がある(ギブスの自由エネルギーが等しくなる)ことが必要になります。(そのような平衡が問題になるまでエネルギーを高めてやらねばならない)

さて、いまご質問の「気体の溶解度」の件ですが、これはある意味迷う必要のない問題です。
今水の分子を考えたとき温度が高ければ飽和蒸気圧は上昇します。温度が上昇すれば分子間の凝縮エネルギーを超えて自由になる=気化する分子数が増えるためです。
液相内の気体分子も温度が上がれば運動エネルギーを獲得し気相に移動する確率が上がります。これは疎水性の気体分子ばかりではなく塩化水素やアンモニアの分子でも全く変わりません。
なぜ、気体の溶解度が温度上昇によって下がることが問題になるのでしょうか。それは固体の溶解度と比較するからです。固体の溶解度が上昇するのは固相の分子が「結晶格子」の凝縮エネルギーと液相の分子との溶媒和エネルギーが平衡に達するだけのエネルギー(熱)が供給されたからです。(窒素分子の開裂と同じ)
固体と気体、この両者の液体への溶解度が同列に比較されれば温度による平衡の移動方向が逆になることは自明のことではないでしょうか。

回答No.2

DexMachina

> エネルギーが大きくなると不安定になるのはなぜなのでしょうか？

感覚的にわかりやすいと思われる、位置エネルギーを例に説明します。
　a)台の上にあるボール
　　　→風が吹くなど、ちょっとしたきっかけで台の下に落ち、元の位置には戻らない
　b)平らな台の位置にあるボール
　　　→風が吹き続けるなど、他からエネルギーを与え続ければ動く。風向きによっては、
　　　　元の位置に戻ることもある
　c)すり鉢状の穴の底にあるボール
　　　→風が吹けば一時的に動くこともあるが、風がやめば勝手に元の位置に戻る

「安定」というのは、「多少の力が掛かっても、同じ状態を維持できる」ということです。
上の例で言うと、位置エネルギーの小さい「c)」が最も安定で、位置エネルギーの大きい
「a)」が最も不安定、ということになります。

つまり、最初の状態がエネルギーが低いものは、他からの働きかけで状態が変化すると
相対的にエネルギーの高い状態になったことになります。
この「エネルギー差」が、他からの働きかけが止まった後の「元の状態に戻る力」になる
ため、「安定」なわけです。
(すり鉢の底にあったボールは、風に動かされると少し高い場所に移る(=位置エネルギー
　を得る)が、風がやむと、得た位置エネルギーを利用(放出)して、元の場所に戻る、と)

> 温度が高くなると分子の運動エネルギーが大きくなり、そうすると不安定になるために
> 気体は溶けなくなる

・・・この説明なんですが、なんとなく「不安定になるために」の部分は不要な気も・・・(汗)
つまり、「温度が高くなると分子の運動エネルギーが大きくなるため、気体は溶けにくくなる」
だけで、意味が通るのではないかということです。
(「不安定に～」という言葉を入れているために、かえってわかりにくくしてしまっているのでは
　ないか、と)

説明を追加するすれば、「(多くの場合)気体分子と水との間の分子間引力は非常に弱い」と
いうことで、「そのため、分子の運動エネルギーが大きくなると、気体は溶けにくくなる」とした
方が、sdmurakamiさんにとってもわかりやすかったのではないかと思います。
(「それでなくても気体分子を留める力が弱い上に、脱出させる方向に働く運動エネルギーが
　大きくなるので、気体分子がより逃げやすくなる=溶けにくくなる」、と)

お礼

ありがとうございます。よくわかりました。
わたしは、例えば、たとえではなく本当の理屈を理解することが可能でしょうか？

回答No.1

noname#69788

自然界には、エネルギーを小さくしようとする性質があるためです。エネルギーが小さい→安定と覚えておいてください。

お礼

ありがとうございます。
覚えるのではなく、なぜ不安定なのか理解したかったのですが…