拡散の問題らしいのですが・・・

質問

フラスコ内に、水をため、まっすぐなガラス管と、曲がったガラス管のついたゴム栓をして、まっすぐなガラス管のほうに、素焼きの円筒をかぶせている装置があります。
その装置に、水素でいっぱいにしたメスシリンダーをかぶせ、ゆっくりとメスシリンダーをゆっくり下げていくと、曲がったガラス管のほうから、水鉄砲のように勢いよく水が出るのですが、これはどういったわけで起こった現象なのでしょうか？

回答No.1

ymmasayan · ベストアンサー

ヒントだけにしましょう。
もし、メスシリンダの中が空気だったらこうならないでしょうね。
メスシリンダの空気は外の空気の中に逃げられるから。
水素は軽いので外に逃げられ無い。上から押されるのでフラスコの中に入るしかない。
後は・・・・・・。

お礼

水素が、フラスコ内に入るというのは、何となく分かっていたのですが、
　なぜ、入るのかがよく分からなかったんです。
　なるほど、逃げられないからなんですね(゜-゜)
　参考になります。ありがとうございました。

回答No.4

anisol

この現象は簡単に言うと、水素分子のほうが空気中の窒素分子や酸素分子より、素焼きの細孔を通りぬける速さが早いために起こります。

素焼き円筒の周りに水素を満たすと、素焼き円筒の中と外が同じ組成になろうとするため、水素分子は細孔を通って素焼き円筒の中に入ろうとします。逆に素焼き円筒の中の空気は外に出ようとします。ところが空気中の窒素や酸素は水素より細孔を通りぬける速さが遅いので、素焼き円筒の中は、入ってくる水素によって一時的に圧力が増します。よって水が噴出します。（厳密にこの説明で正しいかわからないので、他の回答者の方フォローをお願いします）

定量的には「グレーアムの流出の法則」によって考えることができます。この法則は

「一定の圧力、温度のもとにおいて、気体がある細孔から流出する速度は、気体の分子量の平方根に反比例する」

という法則です。要は軽い気体ほど早く流出するということです。この実験の例で考えてみると、水素（分子量2.0g/mol)は窒素（分子量28g/mol）に対して
(√28/√2)=3.7
3.7倍の速度で細孔を通りぬけ、酸素（分子量32g/mol)に対しては
(√32/√2)=4.0
4.0倍の速度で細孔を通りぬけます。

この法則はグレーアム（Graham）さんが1831年に発見した経験則ですが、気体運動論によって導くことができます。その説明はちょっと私ではできないので他の方におまかせします。

なお、この法則は「気体拡散の法則」とも呼ばれますが、厳密には「拡散」（diffusion）というのは誤りで、「流出」または「噴散」（effusion）と言うのが正確なようです。

お礼

ありがとうございました。
「グレアラームの流出の法則」など、詳しく説明していただいて、
とても参考になりました。

回答No.3

rei00

私が思っている装置であれば，ymmasayan さんのヒントをよく考えれば判ると思いますが，念のため以下の点を補足下さい。

> まっすぐなガラス管と、曲がったガラス管のついた
　２つのガラス管の下端はどうなっていますか？どちらも水に浸かっていますか？それとも一方だけ？それはどちら？

> 素焼きの円筒をかぶせている
　どこにかぶせていますか？かぶせるというよりも，まっすぐなガラス管に短い素焼きの管が付いているのではないですか？

> 水素でいっぱいにしたメスシリンダーをかぶせ
　メスシリンダ－はどこにつなぎますか？上記の素焼きの円筒ですか？

> メスシリンダーをゆっくり下げていくと
　細かいようですが，メスシリンダ－を下げるのでしょうか？メスシリンダ－のピストンを下げるのじゃないでしょうか？

　上記補足お願いします。

補足

説明不足ですいません。

>２つのガラス管の下端はどうなっていますか？

確か、曲がった方の下端が水につかっていました。

>　どこにかぶせていますか？かぶせるというよりも，まっすぐなガラス管に短い素焼きの管が付いているのではないですか？

まっすぐなガラス管のほうに、それがすっぽりと収まるよう、かぶせました。

>細かいようですが，メスシリンダ－を下げるのでしょうか？メスシリンダ－のピストンを下げるのじゃないでしょうか？

はい、メスシリンダーを下げました。
その装置の、フラスコの細い部分がすっぽりと入るくらいまで、下げました。

すいません、言葉で説明するのは苦手なので……これで、よいでしょうか？

回答No.2

hajime40

言葉だけじゃ、器具がどうつながっているのか？どう配置されているのか分かりませんので、何を言っているのか分かりません。図なんかがあると分かりやすいんでしょうが、この場では無理ですね！

ところで、
＞水素でいっぱいにしたメスシリンダーをかぶせ、
水素でいっぱいにしたメスシリンダー？
ということは、室温で、常圧の状態にある水素ってことですよね。
そして、これはこの装置のどこにかぶせるんですか？

＞ゆっくりとメスシリンダーをゆっくり下げていくと
ゆっくりと下げていくというのはメスシリンダー自体を下げていくということなのですか、それとも、メスシリンダー内の水素を下げていくのですか？

＞曲がったガラス管のほうから、水鉄砲のように勢いよく水が出るのですが、
これって、まっすぐなガラス管と曲がっているガラス管がつながっていて、まっすぐなガラス管の端が水の中にあるということなのですか？

言っていることが分からないですね。答えようがありません。
具体的に書いているつもりなんでしょうが、それぞれの関連性が分かりません。
もっと関連性を持った説明をして下さい。

補足

説明不足、すいません。

>水素でいっぱいにしたメスシリンダー？
>ということは、室温で、常圧の状態にある水素ってことですよね。

　はい、そのとおりです。

>そして、これはこの装置のどこにかぶせるんですか？

　装置の、素焼きの円筒部分から、フラスコの細い部分までです。
>ゆっくりと下げていくというのはメスシリンダー自体を下げていくということなのですか、それとも、メスシリンダー内の水素を下げていくのですか？

　メスシリンダー自体を下げていきます。

>これって、まっすぐなガラス管と曲がっているガラス管がつながっていて、まっすぐなガラス管の端が水の中にあるということなのですか？

　いえ、まっすぐな、ガラス管と曲がっているガラス管は別々のものです。
　曲がっているガラス管の下端が水につかっていて、まっすぐな方はつかっていません。

　実験装置について、説明不足でした。すいません。
　こういったものに、どう書けばよいか分からなかったものですから……
　これでよいのでしょうか？また、説明不足でしたら、申し訳ありません。