上方置換と水上置換

質問

水素の上方置換について質問させていただきます。
（同じような質問が検索した結果2つありましたが、それらを見た上での質問です。）

水素は気体の中で一番軽いことから、直感的には上方置換であるとするのがある種自然な考え方だと思いますが、調べてみると水上置換の方が確実に集められる（空気などが入らないため）、安全性の問題がある、などといった記述の下、水上置換で集めるのが一般的との記述が多数です。私見では、水上置換でも蒸気圧の関係により多少水蒸気分が含まれると思うのですが、

そこで、
（１）十分に時間をかけた上方置換よりも、（水蒸気を少しは含むかもしれない）水上置換のほうが純度が高いのか
（２）１が上方置換だとして、「安全性」と「確実な捕集」では一般的（実験室的）にはどちらのほうが優先されるのか
をお聞きしたいと思います。調べてみてもなかなか資料が見つからず困ってしまいました。よろしくお願いいたします。

回答No.2

noname#62864 · ベストアンサー

テストの問題というのは、細かな条件が無視されているでしょうから、教科書的な対応が必要ということでしょう。
たしかに、長い時間をかけてかなりの量の水素を無駄に放出してやればそこそこの純度の水素ガスを上方置換で集めることが出来るでしょうし、受ける容器の形状にもよるでしょうが、気体分子の拡散を考えれば「高純度」というわけにはいかないでしょうね。
水上置換の場合にはたしかに水蒸気が入りますが、その気になれば、塩化カルシウム管などで乾燥することによって、水蒸気を除去できますので、そちらの方が現実的だと思います。

ちなみに、テストであれば「確実に集められるから」というよりは「水素ガスは水に溶けないから」と書きたくなりますね。水に溶けないガスの捕集は水上置換で行うのが基本だと思います。

お礼

＞塩化カルシウム管
乾燥できるのくだりはとても納得です。
水上置換で行うのがまず基本、という考え方は教科書的にまず大切ですね。
ありがとうございました。

回答No.3

Kemi33

私の推測ですが，おそらくその「知り合いのお子さん」と先生が考えているのは同じ事ではないでしょうか。ただ，表現に問題があるので正解にはならなかったのだと思います。

> 「水素が漏れたときに危険だから」と書いたら×にされた

　「水素が漏れたときに危険」なのは上方置換でも水上置換でも同じです。「漏れた時」の危険性は捕集方法によりませんから。

　おそらく，そのお子さんは「水上置換の方が水素が洩れ難い」という事を言いたかったのだと思いますが，それは「水素が漏れたときに危険」とは言いません。

　先生が上げた正解の「確実に集められるから」は，そういう意味だと思います。

> 本当に上方置換よりも水上置換の方が（時間をかけたときでも）確実に集められるのかということを疑問に思いました。

　気体は拡散していきますので，何か遮るものが無いと漏れ出すという可能性を０には出来ません。

　「上方置換」では，容器の下部には隙間があって集めた筈の水素が漏れ出す可能性があります。しかし，「水上置換」では，この部分は水素ガスが殆ど溶けない水で遮られています。

　結果，洩れ出しが少なく確実に集められるのは「水上置換」という事になります。

お礼

＞「水素が漏れたときに危険」なのは上方置換でも水上置換でも同じです。「漏れた時」の危険性は捕集方法によりませんから。

水素が漏れたときに危険なのは、確かにどちらも一緒ですが、狭い解答欄にこの答えを書くことで、上方置換の方が漏れやすいというニュアンスが含意されていると考えてしまいますが、どうも教科書的対応ではこれではいけないようなことがわかりました。

もちろん水上置換の方が優れていることは、わかっていますが、「水素は地球上の気体の中で最も軽い」＋「上方置換は空気よりも軽い」という意識の下で、何故上方置換ではいけないか、との問いに「捕集時の確実性」が答えになるのがどうも納得いかなかったのです。
少し私の問題提起の仕方に問題があったかもしれません。
ご回答ありがとうございました。

回答No.1

leap_day

質問文を見て直感的に思ったのはやっぱ水上置換の方ですね（＾＾）

理由は水上置換だとどれだけ集まったかというのが見た目的にもすぐ分かりますし
上方置換だと見えない分どれだけ溜まってるか分からないですし時間を掛けすぎて容器より溢れてしまった時に危険だと思うからです
水素と酸素を体積比 2:1 で混合したものに火を付けると激しく爆発する（水素爆鳴気）。
http://web.kyoto-inet.or.jp/people/ebisan/huusenbaku.htm

お礼

ご回答ありがとうございます。

確かに水上置換の方が確実に、ビジュアル的にもわかりやすく捕集することが出来ます。しかし、知り合いの子が中学校のテストで「なぜ上方置換ではなく水上置換なのですか」との問いに「水素が漏れたときに危険だから」と書いたら×にされたという話を聞き、それならばということでいろいろ調べてみたのですがなかなか詳しい資料が見あたりません。

ちなみに答えは「確実に集められるから」だそうです。

本当に上方置換よりも水上置換の方が（時間をかけたときでも）確実に集められるのかということを疑問に思いました。