食塩水と砂糖水の体積について

質問

食塩と砂糖とを水に溶かした時の、溶液全体の体積変化について質問があります。

例を１つ挙げさせていただくと・・・
２つのビーカーに８７ｇずつの水を用意し、食塩水と砂糖水を
それぞれ１３ｇずつ溶かします。（質量パーセント濃度１３％）
それぞれにじゃがいもを放り込むと、食塩水側ではジャガイモは浮き、
砂糖水側ではジャガイモはビーカー底に沈んでいます。

これは、砂糖水の方が体積が大きいために、同じ１００ｇであっても
密度が食塩水より小さくなるためだと思います。

その原因を教えてください。
少し考えてみたのですが、塩化ナトリウムは電離して粒１個ずつに
バラけるのに対して、砂糖の粒は炭素や水素原子がいくつか
集まっていて、例えばドーナツみたいに真ん中に空洞ができてて、
体積が大きくなるような感じでしょうか？
いちおう高校はでたのですが、ココまでしか考えが及びません・・・。

たったこの理由だけでそんなに大きく差が出るのかが疑問です。
目に見えるほどの体積差が出るのでしょうか・・・？
ジャガイモの密度は、運よくこの２つの水溶液の密度の間なんでしょうか・・・。

多少こまごまとした値が出ても、頑張って読みますので、
詳しい方、お暇でしたらお教えください・・・。
よろしくお願いいたしますｍｍ

回答No.2

noname#160321 · ベストアンサー

>多少こまごまとした値が出ても、頑張って読みますので
出ません。
水分子は電気的双極子の性質が大きいのです。
ここに食塩を溶かすとおっしゃる通りＮa^+とＣl^-イオンに分れます。この分れること自体が水の双極子としての性質に大きく依存しています。
Ｎa^+イオンとＣl^-イオンの周りには莫大な水分子の塊(クラスター)が生じます。
Ｎa^+は酸素の非結合電子対(lone pair)に配位する形で水に取り囲まれます。それでもなお陽電荷が他の水分子に感じられるのでＮa^+の方向に酸素が向いた双極子の二重、三重の層がＮa^+イオンを取り囲みます。
Ｃl^-の場合には水の水素にＣl^-の電子で埋まった軌道が配位する形になり、またその外側を今度は水素側をＣl^-に向けて水が層をなします。
この効果によって水が「収縮」するのです。
一方蔗糖を水に溶かす場合にはこの様な電気的効果は生じません。体積は溶媒と溶質の排除する空間の大きさの和です。
この様な効果により「電解質溶液」の密度は大きくなります。

回答No.4

htms42

密度に違いがあったということですが
結構微妙なものではないか問い思います。
水ではやって見られましたか。
基準になります。
食塩水、砂糖水の調整のチェックにもなります。
（溶けきっていないという場合がよくあります）

化学便覧に食塩水の濃度が載っていました。
１０％　　１．０６９ｇ／ｃｍ^3
１２％　　１．０８４
１４％　　１．０９９　

砂糖水の密度は載っていませんでした。

検索しているうちに１０％ショ糖溶液で１．０６という数字を見つけました。１０％食塩水とほとんど同じです。
元の物質の密度の違いはほとんど現れていません。
（ショ糖水溶液の濃度と密度の表、ご存知の方がおられましたらお願いします。）

＃３に
＞ショ糖であっても水にそれなりに溶けるからには水とそれなりに引き合います。
ただし、引き合う箇所は少ないので、水同士ほどの引力は働きません。

＞これは例えばメタノールを水に溶かした場合などを考えるとより分かりやすいかもしれません。

ショ糖は水によく溶けます。「それなりに溶ける」というレベルではありません。水１００ｇに２０℃で２０４ｇ、４５℃で２４５ｇです。

「高校生に砂糖と塩とどちらが水によく溶けるか」と質問すると「塩の方がよく溶ける」という方が多数派になります。砂糖はあまり水に溶けないと思われているようです。

「引き合う箇所が少ない」と考えるのは間違いです。１１個のＯのうち８個が－ＯＨを作っています。そのＯＨが全てむき出しです。水素結合の能力のかなり高い物質です。
氷砂糖のような硬い結晶を作るのは水素結合によるものです。輪が２つもある構造の有機物で密度が１．６ｇ／ｃｍ^3もあるのは分子間の結合が強いからです。
Ｃ２Ｈ４０２の酢酸とＣ６Ｈ１２Ｏ６のグルコースで密度を比べてもらうと分子間の結合に違いのあることがわかります。
エタノールとの比較は出来ません。（　　)－ＯＨではダメなのです。
エタノールの密度は０．７９ｇ／ｃｍ^3です。極性はありますが分子間力は水よりもかなり弱い物質です。

＃２に
＞一方蔗糖を水に溶かす場合にはこの様な電気的効果は生じません。体積は溶媒と溶質の排除する空間の大きさの和です。
この様な効果により「電解質溶液」の密度は大きくなります。

極性の弱い物質を溶かしている場合については当てはまるだろうと思います。でも糖類や有機酸、アルコールの場合は一概に言えないのではないでしょうか。同じような効果が存在するが程度が異なるというだけの様な気がします。
酢酸の密度は１．０４９ｇ／ｃｍ^3です。水とあまり変わりません。
酢酸水溶液の濃度が化学便覧に載っています。４５％～１００％の範囲で密度が１．０４９ｇ／ｃｍ^3よりも大きくなります。最大値は１．０６５ｇ／ｃｍ^3です。１０％の食塩水に近い値です。体積の収縮が起こっています。体積の収縮は水－エタノールの場合でも起こります。
ショ糖でもおこっているかもしれません。
体積の排除効果があるとすると周りの水の収縮がそれを打ち消すだけは起こっているということになります。

とにかく密度の違いは微妙なものだという気がします。
ひとつの理由では説明できない可能性があります。
＃１、＃２はともに理由のひとつになるでしょう。

回答No.3

tagawakao

＃１さんの回答は場合によっては正しいですが、この場合適切だとは思いません。

＃２さんの回答でだいたいいいのですが、若干不満が残ります。
なので補足回答です。

ショ糖であっても水にそれなりに溶けるからには水とそれなりに引き合います。
ただし、引き合う箇所は少ないので、水同士ほどの引力は働きません。
ショ糖が水に溶けることで水同士の結合が一部切られるために水同士がギュッと集まった状態が少し解消されて全体の体積は増えて、密度は低くなる結果となります。
これは例えばメタノールを水に溶かした場合などを考えるとより分かりやすいかもしれません。

＃２さんもわかった上で回答を簡潔にするために下のように書いたのかもしれませんが、一応補足しておきます。

回答No.1

ORUKA1951

具体的な数値は後回しにして・・
　塩素は原子量が35.5と、とっても重たいですね。
　そのため、そもそも食塩とショ糖では、2.16 g/cm3と1.587 g/cm3と随分と違う。