空気が成分で分離しないのはなぜ？

質問

４０代文系主婦です。中学生くらいからの疑問です。いつか誰かに聞こうと思って今日まで来ました。

空気はいろいろな成分（酸素や窒素など）でできていて、それぞれに重さがありますよね。

屋外では風などでかきまわされていますが、個室ではなぜ分離しないのでしょうか？

朝起きたら、部屋の酸素が下のほうにたまっていたなんてことはないですよね。それとも厳密には酸素濃度が濃い部分と薄い部分があるのでしょうか？

回答No.6

ORUKA1951

重い酸素が上に行くのは対流ではありませんし、。(あとで説明)

コップに水を入れて角砂糖を入れてみましょう。
時間と共に変化するはずです。
　科学とは、身近な現象に疑問を持ったときに、それを説明する推論を立てて、その推論が正しいか否かを、（誰もが確かめられる）実験や観察によって正しいか、【間違っているか】を証明していく過程です。知識ではありません。
　小中高一貫して・・
【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
第1　目標
　自然に親しみ，見通しをもって観察，実験などを行い，問題解決の能力と自然を愛する心情を育てるとともに，自然の事物・現象についての実感を伴った理解を図り，科学的な見方や考え方を養う。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［理科学習指導要領( http://www.mext.go.jp/a_menu/shotou/new-cs/youryou/syo/ri.htm )］より
　知識ではありません。

　砂糖の実験で分かる事は、砂糖(スクロース)の分子量は342(水は18)、密度は1.6(水は1)なのに時間が経てば、均一の砂糖水になりますね。
　このことから、何らかの要因で均一になることが想像できます。気体にもあてはまるのではないか・・。
　温度が変わると均一になる時間は変わることも経験で御存知のはずです。
(対流ではない)
　対流とは暖められて膨張した軽くなった流体が上昇するもので窒素より重たい酸素が対流するのはおかしい。

　ここまでは、推論できるはずです。

　実は、「気体や液体のときに分子が存在する」「分子は温度によって動き方が異なる」がポイントなのです。かのアインシュタインらが実証している。(120年ちょっと前の1905年)
【引用】＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
分子の物理学的挙動について、実験的にその実在性を確立したのはアルベルト・アインシュタイン（1905年）およびジャン・ペラン（1909年）によるブラウン運動の研究である。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで［分子 - Wikipedia( https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E5%AD%90#.E5.8E.9F.E5.AD.90.E3.81.A8.E5.88.86.E5.AD.90 )］より
　長く分子の存在は理論であって証明されたのは110年前・・・それほどの事ですから、あなたが、『屋外では風などでかきまわされていますが、個室ではなぜ分離しないのでしょうか？』と疑問を持つのが当たり前で、それを「対流」や「乱流」で説明するのは、科学ではないし、ましてや主成分の窒素(N₂分子量28)より重い酸素(O₂分子量32)が上に行くわけがない。

　すでに小学校で学んでいることを元に説明すると、気体は粒子が互いに束縛されずに自由に飛び回っている状態でしたね。注射器に蓋をしてピストンを押して縮む実験をしたはずです。空気から押し返されるのは気体分子が衝突してくるからで、押し付けて体積を小さくすると密度が高くなり衝突する数が増えるから押し返す力が強くなるのでしたね。
　このように気体は激しく飛び回っています。その解きに互いの分子どおしも衝突して弾き飛ばされることを繰り返しています。
　それによって、全体が均一になっていく====拡散と言う現象です。

中学校や高校で定番で生徒に示す実験に下記のようなものがあります。
・太いガラス管の両端に塩酸とアンモニア水浸した脱脂綿を入れて蓋をします。
　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
　///HCl　　　　　　　　　　　　　　　　　NH₃///
　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
　塩酸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　アンモニア水
・放置しておくと、途中に白煙(塩化アンモニウム)が発生します。
　＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
　///HCl　　　　○　　　　　　　　　　　　NH₃///
　￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣
　　塩酸の分子量は36.5、アンモニアの分子量は17ですから、塩酸から1/3、距離比1:2のあたりに白煙が生じます。

　塩酸とアンモニアの分子が、拡散して広がり、その二つがであったら塩化アンモニウムの固体ができて白煙になる。今はトイレがきれいになってみることはなくなりましたが、塩酸系のトイレ洗剤の蓋をあけると、拡散で広がった塩化水素が空気中のアンモニアと反応して白煙ができる。

＞空気はいろいろな成分（酸素や窒素など）でできていて、それぞれに重さがありますよね。
＞屋外では風などでかきまわされていますが、個室ではなぜ分離しないのでしょうか？
　それは、温度がある気体分子どおしが衝突して弾き飛ばされて拡散して均一化することによります。酸素よりもっと重たい二酸化炭素、プロパンガス、アルゴンなどは重さがずっと重たいので時間がかかります。
　地球の大気に水素が少ないのは、はるかに軽いから拡散されるより上昇していくから大気上端から宇宙に逃げ出す。重力の大きな木星や土星、太陽では水素も引き止められる。

【理由】
拡散によるもの
・他の成分に比較して重さの差が少ない--窒素28,酸素32
・温度がある。絶対零度--分子運動がゼロ--では拡散は起きない。

＞朝起きたら、部屋の酸素が下のほうにたまっていたなんてことはないですよね。それとも厳密には酸素濃度が濃い部分と薄い部分があるのでしょうか？
　朝が絶対零度-273度に近いとありうるかも(^^)。その前に液体になっちゃう。

＞４０代文系主婦です。中学生くらいからの疑問です。
　そんなくだらないことに疑問を持つとは、絶対に文系ではないですね。(^^)
　文系の方は疑問すらもてない(^^)
＞いつか誰かに聞こうと思って今日まで来ました。
　聞くのではなく、まず自分が習った知識だけで理由を推測して、その推論が正しいかを実験や観察で確かめる。(砂糖水の観察で十分かと・・)まで行ったら理系ですかね。

お礼

ありがとうございました。

私にはもったいないような説明で恐縮です。

「拡散」について、勉強になりました。