液体窒素につく霜...

質問

液体窒素をビーカーとアルミ缶に入れたらビーカーの方にはたくさんの霜が、アルミ缶の方に入れたらあまり霜はつきませんでした。
なぜでしょうか？
また、この霜の正体はなんでしょうか？
また、なぜ液体酸素は磁石につくのでしょうか？
教えてください！

回答No.6

loveobo · ベストアンサー

アルミ缶のほうが霜が多かった理由について、＃４を拝見して納得。
スッキリさせていただき、感謝します。（納得できたという意味で自信あり）

霜ができるということは、少なくとも、液体窒素の沸点-196℃より
融点の高い物質ですから、実質的に、空気中では水（水蒸気、沸点0℃）
と二酸化炭素（融点-57℃、厳密には三重点、詳細は省きましょう）しか
ないでしょう。いずれにせよ、 -196℃は充分に融点以下、アルミ缶と
ガラスビーカーの外壁温度の差が「霜」の量を左右するのは不自然に
感じていました。

一方、酸素の「沸点」は約 -182℃、液体窒素の温度に近く、ビーカーと
アルミ缶の外壁温度の違いで、露のでき方（液化の様子）は変わりそうです。
熱伝導率の高いアルミ缶は、外壁が早く冷えるため、表面が酸素の『露』
という「液体」で濡れやすく、水の『霜』が付着しにくかったのでしょう。

回答No.8

vortexcore

＞またさらに気になるのですが、固体酸素（ドライアイスみたいな）は存在しますか？また...もし存在するとしたら融点は何度なのでしょうか？

固体酸素はあります。融点は絶対温度で54K、摂氏だと-219℃です。
（絶対温度[K]=摂氏の温度[℃]+273[K]）

ちなみに窒素の沸点と融点は77Kと63Kで、14Kしか離れていません。液体窒素を魔法瓶に入れて真空ポンプで排気すると、気化熱が奪われて温度が下がり、簡単に固体窒素ができます。

世の中で絶対零度まで固体にならないものはヘリウムだけです。あとのものはすべて温度を下げていけば必ずどこかで凍ってしまいます。ヘリウムは4.2Kで液体になるのですが、さらに温度をさげると、凍らないかわりに「超流動」という実に奇妙な状態になることが知られています。

補足

なるほど...という事は液体窒素の融点より低いのでありえないということですね。
詳しい解説をどうもありがとうございますです...

回答No.7

nozomi500

また登場。

＞この霜の正体は実は気体が固体化したものではないかと考えているのですが

水蒸気は気体です。それが、液体の水を飛び越して（？）固体である氷になるのを「昇華」といいます。ドライアイスと二酸化炭素の関係。
空気中にも二酸化炭素は存在しますが、ドライアイスができるより水蒸気が凍る方が早い。

しかし、「液体酸素」まで考えつかなかったなあ。

補足

またまたありがとうございます。ほとんど納得です。
またさらに気になるのですが、固体酸素（ドライアイスみたいな）は存在しますか？また...もし存在するとしたら融点は何度なのでしょうか？

回答No.5

38endoh

> この霜の正体はなんでしょうか？

　これは通常の結露と同じ，氷でよいかと思います。液体窒素を取り扱う際，エーロゾルが若干青みがかって見えることがありますが，これは液化した酸素だと言われています。この液化酸素は非常に危険な物質ですが，エーロゾルとして拡散してしまえば，その危険性は差ほど問題にはなりません。

> また、なぜ液体酸素は磁石につくのでしょうか？

　酸素分子は基底状態で常磁性物質です。つまり結合性軌道のために使われない電子が，スピンとして残っています（酸素分子は二つスピンが残っているので三重項状態といいます）。電子構造は，No2 の方の参考 URL にかかれているとおりです。そして，このスピンは各々が小さな磁石です。

　常磁性物質は強力な外部磁場によってスピンの方向が揃い，つまり，各々の小さな磁石の方向が揃い，外部磁場と引き寄せ合います。この状況を「磁化した」といいます。ちなみに，この引き寄せあう力は通常は非常に小さいものです。ちなみに，この力を精密に測定する装置を磁気天秤といいます。

回答No.4

vortexcore

前半のビーカーの周りの霜はこれまでの回答にあるように、水蒸気が固まった霜です。アルミ缶は熱伝導が良いので、缶の周囲の空気（主にその中の酸素）が液化されて「濡れた」状態になりますので、あまり霜が付きません。

後半ですが、酸素分子の分子軌道の、電子が詰まる一番エネルギーの高い軌道は2重に縮退していて4個まで電子を収納できるのですが、ここに2個の電子が入ります。一般にこのような自由度がある場合、フントの規則という法則により、2つの電子のスピンが同じ向きになった方、つまり磁気モーメントを持った方がが安定です。周期表で酸素の近くにある窒素やフッ素では、このような軌道の縮退がないので磁気モーメントを持ちません。

蛇足ですが、液体酸素は神秘的な淡い青色をしています。この色も酸素の特異な電子配置と関係しています。酸素は窒素よりも沸点が高いので、液体窒素を使って簡単に液化することができますが、爆発等の危険があるので、良い子は遊んではいけません。

補足

お礼も兼ねさせていただきます。みなさんありがとうございます。
ところで...霜の事なのですが、この霜は皆さん水蒸気だとおっしゃっていますが、僕もそう思いました。

もしかしたらそうなのかもしれませんが、この霜を指で触ってとってみたらすぐ消えてなくなってしまいました。多少（ほんのちょっと）の水分は指先に残っていたのですが、蒸発してしまったようなので…（分かりませんが…）

この霜の正体は実は気体が固体化したものではないかと考えているのですが、違うでしょうか？？？よく分かりませんが...

あと…磁石につく話し…自分にはかなり理解が難しそうです…でも勉強してがんばって理解していきたいと思います！！

回答No.3

noname#21649

後半だけ
「磁石につく」ということは．「常磁性がある」といいます。なお鉄などは「強じせい」といって別の話になります。
じょうじ生をもつぶしつの共通点は．不対電子をもつことです。不対電子があると電子のもつ電場に磁力が作用して．じょうしせいがでます。不対電子がないと電子のスピンにより電場が打ち消されじせいを持ちません。

回答No.2

loveobo

参考ＵＲＬのような、ややこしい理屈で、酸素は磁性を持つそうですが、
私には説明できません。ゴメンナサイ。
遠い学生時代、「迂闊に液体酸素を溜めると爆発リスクがある」と習った
憶えがあるのですが、ちょっとWeb検索してみたら、液体酸素の実験は
高校でも多く取り上げられているようですね。危なくないのかな～？？？

霜の正体は＃１のご回答の通り「空気中の水蒸気が凍ったもの」ですね。
熱伝導率が高いアルミ缶の方が霜が少なかったのは意外です。液体窒素を
注いだ直後に、外壁が早く冷えるのはアルミ缶でしょうから。となると、
＃１のご指摘のように、中の液体窒素が早く温まって、蒸発してしまい、
冷えていた時間が短かったのかもしれません。

参考URL：

http://www.frad.t.u-tokyo.ac.jp/~miyoshi/InCh2001/sect6.html

回答No.1

nozomi500

霜の正体は霜（水の結晶）ですね。空気中の水蒸気。
ビーカーとアルミ缶の差ですが、熱伝導が、アルミの方がずっと高い。＝冷えやすく温まりやすい。

アルミでも霜はつくと思いますが、液体窒素の量が少なかったら、温まって融けていってるんじゃないでしょうか。

液体酸素って磁石につきました・・？これはみたことないなあ。