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無重力で水が球になるのはどーして?

無重力で水が球になるのはどーしてでしょうか? 表面張力が、表面積を小さくしようとすることは理解しているつもりですが、そもそも水の分子の原子軌道を考えると、水分子の集合体は正四面体のときに最も表面自由エネルギーが小さくなっているのではないでしょうか? できれば量子力学的(易しい)な説明を頂けると有難いです。

  • 科学
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  • ベストアンサー
  • veryyoung
  • ベストアンサー率75% (65/86)
回答No.4

下記に水の描象(動画)があります。 http://theochem.chem.nagoya-u.ac.jp/~theochem//10Research/10Dynamics/Gallery/index.phtml 映像後半に水素結合の組替えの様子がクローズアップされています。結晶のような特定の形は維持できないことが解ると思います。一方で、分子間には張力が働いている様子も解ります。分子の集合体の表面を考える時、カドが生じれば、合力的に引き戻される感じが掴めると思います。引き戻す力がどこも均等な表面は球形になります。引き戻す力は曲率に依存しますから、小さな水は球形ですが、大きな水はなかなか球形になれません。 なお、氷結の過程のシミュレーションも下記にありました。 http://theochem.chem.nagoya-u.ac.jp/~theochem//10Research/30Freezing/Gallery/index.phtml

806_meiko
質問者

お礼

ご回答有難うございます。 おお!わかりやすい!! 水素から、近傍の原子に伸びるネットワーク(水素結合)が複数の原子に対して影響があれば、ランダムな分子配置であってもアメーバ型にならずに済みます。納得できました。 恐縮ですが、また新たに疑問が湧き上がりました。 ・分子の振動が限りなく小さいとき(ネットワークできる範囲が原子1つだけ)どうなってしまうんでしょうか? ・ネットワークは、同時に複数の原子に対して磁力のように寄与できるのでは?(どうして1つだけ?同時複数存在が許されない訳は?) 宜しければ、ご回答お願いします。

その他の回答 (5)

  • veryyoung
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回答No.6

> 棒磁石では球体になるような力を連想できません。 棒磁石は、その集合体が球になる事を説明する為に導入したわけではありません。No.4のお礼欄の疑問に答える為に用意したものです。 > 分子の振動が限りなく小さいとき(ネットワークできる範囲が原子1つだけ)どうなってしまうんでしょうか? > ネットワークは、同時に複数の原子に対して磁力のように寄与できるのでは?(どうして1つだけ?同時複数存在が許されない訳は?) 「同時に複数の力が生じているが、ある状態を維持する為の際立つ力のみが、ネットワークとして示されているのではありませんか。」というのが、No.5の主旨です。 「カクン、カクン」を示す為、新たな模型を添付図1に示します。水分子ではありませんし、球になる事を示す為でもありません。袋の中の磁石と同じくネットワークの切り替わりの概念を示す為です。3本の固定された棒磁石の中で、1本の棒磁石が回転できるよう中央がピン止めされているとしましょう。1回転に3つの安定状態があります。衝撃を与えれば遷移できますが、各安定状態は一組のN-Sの強い引き合いで維持されています。その場合も決して他の磁極間に力が及んでいないわけではありません。しかし構造決定因子となるのは一組の強い引き合いのみです。動画では、そんな力がネットワークとして選択的に表示されているのだろうと申し上げたのです。 ちなみに図2のような玉のたくさん入った袋に振動を与えれば動画と似たような事が起こるかもしれません。しかし、それは正確なアナロジーでは無いし、主張したい事ではありません。

806_meiko
質問者

お礼

ご回答有難うございます。 veryyoung様には、毎度わかりやすいご説明を頂き感謝しております。 >「同時に複数の力が生じているが、ある状態を維持する為の際立つ力のみが、ネットワークとして示されているのではありませんか。」 まったくその通りだと思います。 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E7%B4%A0%E7%B5%90%E5%90%88 にある水素結合ネットワークの模式図を最初に見て、水素結合を 1つの酸素原子に対して1つの水素結合しかできないと勘違いしてしまいました。(表現方法が誤解を招きやすい!!と訴えたいです) ともかく 皆様のお陰で解を得たような気がします。 有難うございました。

  • veryyoung
  • ベストアンサー率75% (65/86)
回答No.5

お礼欄にいただいた疑問に関し、ネットワークで図示されているものは何か考えてみましょう。 熱運動の鈍った分子の集合の中で、ある一つの分子を回して見て下さい。カクン、カクンとした感触が手に伝わりませんか。ポテンシャルには起伏があり、複数の安定点があると共に、引き込まれる領域が別れて存在するでしょう。安定解は複数あるが、その遷移は跳躍的に生じるという事です。ネットワークは安定近傍への引き込みの力を象徴しているのであって、存在する静電力全てを表しているのでは無いと思いますよ。 例えば3本の棒磁石を考えてください。袋の中に入れ強く攪拌した後、取り出す。取れる形態は複数あるでしょうが、限定されると思いませんか。各棒磁石は滑らかで透明な球形プラスチックで覆われている方がいっそうイメージし易いかもしれません。複数の極同士が常に同時に作用していますが、ある安定解に引き込む主役は限定されます。それにスポットライトをあてれば、先のネットワークのように見えるのではありませんか。

806_meiko
質問者

お礼

ご回答有難うございます。 >熱運動の鈍った分子の集合の中で、ある一つの分子を回して見て下さい。カクン、カクンとした感触が手に伝わりませんか 方位磁石の動き方を連想しました。ただ安定解は1つだけ >例えば3本の棒磁石を考えてください。袋の中に入れ強く攪拌した後、取り出す III←こんなカンジにSとNを交互にして並び、くっついているのでしょうか △←こんなカンジの状態もあると思います。 >棒磁石は滑らかで透明な球形プラスチックで覆われている ーーー←こんなカンジに直列になるのでしょうか ・・・棒磁石では球体になるような力を連想できません。 すみません・・ またハマってしまったようです。

  • c80s3xxx
  • ベストアンサー率49% (1631/3289)
回答No.3

四面体構造云々は,あくまでも結晶状態の話です.結晶の場合は,球にならない場合はいくらでもありますね.構成粒子が結晶構造に固有の粒子形状を取ることで得られる,結晶配列を作ることに夜安定化の方が,表面自由エネルギーを最小にしようとする効果を上回るからといえるでしょう. 液体の場合は,分子が高い自由度を持って,熱運動しているため,分子間に働く力は全方向に平均化されてしまう効果が強く出ます.この意味では分子構造的な異方性とそれに基づく異方的な集合構造は,ごく短距離的な状況でしか意味をなさないのです. 水の誘電率がなぜ他の極性分子の液体に比べて異常に大きいのかに対して,最初に合理的な説明を与えたのは Kirkwood ですが,この構造モデルでは最近接分子は水素結合による異方性を認めていますが(ここが誘電率に決定的に効く),さらに外側に行くと熱運動で平均化してくるというイメージです. まあ,巨視的には平均化されている方が強いということでしょう.

806_meiko
質問者

お礼

ご回答有難うございます。 固体(結晶)では分子間の引力が優っており、分子は接触して(規則的)に配列している。そしてそれぞれの分子は固定された位置(格子点)を中心に(振動)している。固体にさらに熱エネルギーを与えると、あるところで分子が(接触して)いることが不可能になる。すると分子は互いにすり抜けるようにして移動できる(空間)をつくり、液体になる。 ということを知りました。 ただ、いまだ私の頭のなかでは、球体にならず、あろうことかアメーバ型になってしまいました。 結晶型から、かなり進歩できたのですが、ランダムの平均化というものが球になることがスンナリ理解できません。 もう少しお付き合いして頂けないでしょうか。宜しくお願いします。

  • debukuro
  • ベストアンサー率19% (3635/18948)
回答No.2

水は酸素と水素の化合物です そんなことは小学生でも知っているよと思ったあなた 水の分子構造や電子配列を考えてみましたか? 水の構造図を貼り付けます これが外力を受けない状態ででたくさん集まるとどうなるか考えてください

806_meiko
質問者

お礼

ご回答有難うございます。 やさしいご説明で助かります。ただ、基本的なことで申し訳ないのですが、陽子⇔電子が引き付けあうのか、反発しあうのか。電子⇔電子、陽子⇔陽子も同様にわからないんです。 2pの軌道上の電子はアップスピン、ダウンスピンともに等しくなっている気がするので、電子は、球体になろうとする仕事はしていないような気が・・ つまり、ご説明にあった構造図では、いくら集まっても、球体にならないと思うのですが・・意を汲めなくて申し訳ございません。 宜しければ、再度ご説明お願いします。

noname#160321
noname#160321
回答No.1

>水の分子の原子軌道 矛盾しています。水分子には原子軌道はもはやありません。 >水分子の集合体は正四面体のときに最も表面自由エネルギーが小さくなっている そんな話聞いたことがありません。結晶エネルギーとお間違え方はないですか? >量子力学的(易しい)な説明 分子集合体を扱える量子論的理論はありません。今回の場合水の水素結合による凝集力と、空気と水との親和力の差が大きいために球になります。

806_meiko
質問者

お礼

ご回答有難うございます。 素人の浅はかさ故の質問とご理解ください。 水の分子が電気的に中性であるならば、酸素に働く電気的に陰性の静電的な力は、水素の電気的に陽性の力2つ分に等しいと考えます。 この静電的な力をすべて使い切るために、規則正しく水分子を並べようと思うと、△と▽の連続になり、結晶のイメージになってしまいます。 実際、水は球体になろうとしているので、この考えが間違っているのは理解しているのですが、一口に凝集力といわれましても,上記の考え方が邪魔をしてなかなか理解できません。 お手数ですが、素人にわかり易いご説明をお願いします。

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