水に気体が溶けこむ時の体積について

質問

水に気体が溶けたときに大幅に体積が減るのは、なぜでしょうか。
分子はどういう状態なのでしょうか。

「水に溶ける気体・液性」の分野で中学校の理科教科書には、
「ペットボトルに水を入れて、その上に気体アンモニアを入れてフタをして振ると、気体アンモニアが水に溶けて体積が減り、ペットボトルは縮む」・「フェノールフタレインと反応して赤い水がフラスコ内に吸い上げられ、」という写真が載っています。

液性はともかく、溶けたときに体積が減るのはどういう状態なのでしょうか。
気体から液体になったときに体積が大きく減るのは分かりますが、
ペットボトルを振ることで温度が下がるわけではないので、
この場合は液体になったというわけではないと思います・・・。

温度を下げる以外に気体を溶かすには高圧力にするのもアリかと思いますが、この場合は炭酸飲料の容器みたいに圧力もないので・・・。

詳しい解説とともに、中高生に理解できるような考え方はあるでしょうか？

詳しい方よろしく願いいたしますｍ

回答No.4

tagawakao

念のため補足です。中学生でもわかるように捕捉できる自信はないですが…
アンモニアや他の気体分子が常温・常圧で気体でいるのはなぜでしょう？
一方で、水が常温・常圧で液体でいるのはなぜでしょう？

これは水同士が引き合う力が強く、水分子が自由に動き回るのを邪魔するからです。アンモニアやほかの気体分子はこの力が弱く、（水に比べれば）自由に動き回ることができます。
しかし、そこに水分子がいたらどうなるでしょう？？？
水分子はあらゆる分子と引き合うことのできる能力を持っています。
水分子はアンモニアやほかの気体分子を束縛し、自由に動き回るのを邪魔することでしょう。これが水に気体分子が溶けて、体積が減少することの理由です。
わかりやすさのために、やや正確さを欠いた回答となりました。以下に簡単に補足しておきます。

補足１　アンモニアの場合、イオンとなるため上記の引き合う力が一層強いです。「液性は別として…」と書かれておりましたが、アンモニアの場合この「液性」も重要なファクターとなります。

補足２　ちなみに液体同士を混ぜても体積の増減はこの引力の強さで決まります。もっと詳しく知りたいならエントロピーとエネルギーを考えればよい、ということだけ書いておきます。

回答No.3

potachie

>> 温度や圧力の変化なしに、気体分子が液体のような動作をすることが
あるのは始めて知りました。

たとえば、
固体が液体に溶けるときに、固体の性質は残っていますか？
食塩は、粒子の流動性がない固体の状態ですが、水に溶けて食塩水になると、その挙動は水のように形を自由に変え、限られた範囲で粒子（イオン）は動き回ります。

気体と固体で、液体の挙動が違う理由がないと思いませんか？

回答No.2

jamf0421

気体の体積が小さくなることと、溶解度の大きさとを切り分けて考えましょう。
まず気体の溶解度ですが、酸素や窒素も水に溶けますが、溶ける量はそんなに多くありません。1 ccの水あたり、0℃で酸素ならば0.049 cc、窒素ならば0.024 ccです。100 ccの脱気した水があったとしてもこの中にそれぞれ4.9 cc,2.4 ccしか溶けませんから、ペットボトルの上の空気だとしても気相が目だって減ることはありません。勿論気体が液体にとけた分、気体の体積は減ります。一方気体で自由に飛んでいた分子が液体に溶解するのですから、1分子あたり気体の時ほどの体積をもつわけはなくて液体の容積は増えません。

しかしアンモニアはNH3+H2O→NH4OHでアンモニア水となってものすごく水に溶けます。0℃で水1 ccあたり1176 ccです。もし水が100 ccあったならばガスが117.6リットルも溶けます。これは寧ろ例外といってよくこれに近いのはHCl(気体）の507 ccくらいです。炭酸を形成してとけるCO2でさえ1.71 ccです。アンモニアを溶かすと多量のガスが消えるので体積が減るのが目立つことになります。

気体の体積が減る、という意味がガスの量が減るという印象を言っておられるのでしたら、例外的に溶けるものを見ているからです。

回答No.1

potachie

ご質問内容を繰り返すような回答になりますが。
同じ重さの水と水蒸気の体積の違いは知っていますか？
１８ｇの水（液体）は１８ｃｃ、水蒸気（気体）は２２．４リットル。
（気体の方がなぜ体積が大きいかも説明する必要がありましたら、またご質問ください）

気体が水に溶けるということは、気体が「液体」になることとほぼ同じ意味です。このため、大幅に体積が減ることになります。
水に溶けた気体分子は、水分子とくっつくために溶けることができます。水分子に捕まるため、液体とほぼ同じ動作となります。

気体の性質、というのは、学校で習っているでしょうか？　液体に溶けた状態の気体は、この気体の性質を持たなくなります。

補足

気体と液体では、分子の運動の激しさの違いであって、
気体ならあちこち飛び回り、液体ならあちこち動くながらも
まあ空気上に飛び出すほどではない状態だ・・・。
温度が上がり熱運動が激しくなって蒸気圧が大気圧より
大きくなるようなときに蒸発が始まる・・・。
みたいな理解をしています。

温度や圧力の変化なしに、気体分子が液体のような動作をすることが
あるのは始めて知りました。