食塩水のCl－とNa＋はどのくらい離れてる？

質問

水に溶けた塩化ナトリウムは電離して、Cl－とNa＋に分かれて水中に存在するということですが、

その時、Cl－とNa＋は互いにどのくらいの距離を離れて存在しているのでしょうか？

距離の単位が全く分からないので、例えば、仮に、固体の無水食塩のClとNaの間の距離が0ナノメートルだとしたら、水に溶けて電離したCl－とNa＋は5ナノメートル離れているとか※距離の単位は例えばです。

もう一つお聞きしたいのですが、例えば、25mくらいのプールの水に塩化ナトリウム一分子を溶かした状況では、Cl－とNa＋が25mくらい離れて存在するなん事ありますか？

回答No.2

indoken2 · ベストアンサー

> もう一つお聞きしたいのですが、例えば、25mくらいのプールの水に塩化ナトリウム一分子を溶かした状況では、Cl－とNa＋が25mくらい離れて存在するなん（て）事ありますか？

水の中に塩化ナトリウム以外のイオンが存在しないのであれば、「Cl-とNa+が引き合う」ということが意味を持つかもしれませんが、一般に水の中にはいろいろな種類のイオンが存在しています。そもそも、水分子そのものが解離しますので、「Cl-とNa+が引き合う」という前提に意味が無いと存じます。

25mくらい離れて存在することもありうると思います。

お礼

ご回答ありがとうございます！

『ありうる』という結論にまずとても驚きました（笑）！！

水の中に塩化ナトリウム一分子以外にイオンが存在しなければ両者が引き合う事が意味を持ち、また、一般的に水には他にも不純物として塩化物に限らずたくさんの種類のイオンが存在する、また、そもそも水分子も解離するとするなら、Cl－とNa＋が引き合わず25m離れる事もあるかもということなのですね。

補足

電気分解することも何もせずに、25mもNa＋とCl－が離れることがあるのならば、

プールの中の、離れたNa＋は水酸化ナトリウムとして取り出すことができ、一方のCl－は塩酸として取り出す事ができ、

そして、その水酸化ナトリウムと塩酸を混合すれば中和反応で発熱して塩化ナトリウムになるで、その熱エネルギーが取り出せるので、繰り返せば無限にエネルギーを取り出せることになりますか？

回答No.7

pasize

突然出てきてすいません。

>プールに入った塩化ナトリウム一分子から、一分子ずつ塩酸と水酸化ナトリウムを取り出すという操作を十分な回数繰り返し、十分な量の塩酸と水酸化ナトリウムが集まったら、中和反応させ、その反応熱を取り出す事を繰り返せば無限にエネルギーが取り出せることになりませんか？

これについては不可能としか言えないでしょう。無限のエネルギーは残念ながら取り出せません。
結局この操作はマクスウェルの悪魔がやっていることと同じだと思います(少なくとも私は)。

仕切りのある容器を用意します。
片方には水、もう片方には食塩水を入れておきます。
食塩水側から仕切りに向かってNaイオンが来た時だけ仕切りを一瞬開け、水側にNaイオンを入れます。Clイオンが来たときは仕切りは開けません。
そしてこれを繰り返すと・・・質問者様の言われる塩酸と水酸化ナトリウム水溶液が出来上がるはずです。
しかしこれはマクスウェルの悪魔と同義ですよね。

回答No.6

betanm

さらに捕捉です。

そういう意味では取り出すことは可能ですね。
ただ、その一個のイオンの場所が特定できません。よって効率的に取り出すことが現実にできるかどうか、となると思います。

イオンの数が多くなるとランダムに配置された位置を特定するのはさらに難しいでしょう。
また極小の取り出し装置が必要になると思います。

また、
たとえばNaOHを個体の形で取り出すには何らかの電気エネルギーなり、熱エネルギーが必要なので、
エネルギー保存の観点から言っても新たにエネルギーを取り出すことは不可能だと・・・

回答No.5

betanm

なんとなく勘違いしてるようなので捕捉します。

NaCl １個があったときNa+とCl-はそれぞれ１個なので、距離は自然と定義できます。１通りのみ。

これが複数＝ｎ個あったら、距離は（ｎ-1）！通り定義できます。

プール全体を見るとき、+イオンと-イオンはランダムに分布し、全体を総合すると電気的に中性になるような配置になるはずです。（一時的、局所的に偏りはあるけど）

だからNa+がかたまって存在したり、その対極としてCl-がかたまって存在したりはしない。
電気的に平均化されます。

補足

コップに入った飽和食塩水から塩酸と水酸化ナトリウムを取り出すことは不可能であっても、

純水の25mプールに塩化ナトリウム一分子だけという状況ならば、Cl－一個とNa＋一個が偶然に25m離れた時に、両者をそれぞれ塩酸と水酸化ナトリウムとして取り出すことは出来ないのでしょうか？

回答No.4

indoken2

No.2です。
お礼に書かれたことは、まるっきり間違いです。

何もせずに、Na＋とCl－が離れることがあるのは、エネルギー的に違いが無い条件が前提です。
ただ一つしか分子が存在しないときに、分子的なゆらぎの中で、そういうことも偶然起こりうる、というだけのことです。

プールの一方の端にNaが、反対側の端にClが集まって存在するなんてことは、絶対にありません。
水酸化ナトリウムや塩酸として取り出すことも金輪際できません。
もちろん、エネルギーを取り出すこともできません

お礼

ご回答ありがとうございます！

純水のプールに一分子の塩化ナトリウムが入っている状況で、プールの一端に偶然きた『Cl－一分子』を塩化水素一分子として取り出し、もう一端に偶然来た『Na＋一分子』を水酸化ナトリウムとして取り出せないのは何故でしょうか？

※あくまでも、プールに塩化ナトリウム一分子が入っている状況とします。

補足

超純水(完全に理想的に不純物0)の入ったプールに、ただ一つの塩化ナトリウム一分子が入った状況があったとして、

分子の揺らぎによって、プールの一端に偶然来たCl－を塩化水素(塩酸)一分子として取り出し、プールのもう一端に偶然来たNa＋を水酸化ナトリウム一分子として取り出し、

上記のようにプールに入った塩化ナトリウム一分子から、一分子ずつ塩酸と水酸化ナトリウムを取り出すという操作を十分な回数繰り返し、十分な量の塩酸と水酸化ナトリウムが集まったら、中和反応させ、その反応熱を取り出す事を繰り返せば無限にエネルギーが取り出せることになりませんか？

※たしかに、コップに入った飽和食塩水から塩酸と水酸化ナトリウムをそれぞれ取り出すことは不可能でも、プールに塩化ナトリウム一分子という状況なら、塩酸一分子と水酸化ナトリウム一分子として取り出すことは可能性があるのではないでしょうか？

回答No.3

betanm

1.距離のこと
水に電解質が溶けているということは、NaCLが個体（結晶）の状態であるよりも水に溶けた状態の方が安定する（エネルギーが低い）ということです。
ですから、水を蒸発させたりしなければ、その状態が継続します。
つまり自然的にＮａ＋とＣｌ-が静電気力で引き合って結晶の状態に再結合する確率は非常に少ない（zeroではないと思いますが）わけです。

このことから言えるのは、電離しない物質を水に溶かした時と同じ状況ではないでしょうか。
つまり水分子（多少電離しているが圧倒的に分子の数の方が多い）の中に均等に存在すると考えるのが自然でしょう。
すると、イオン同士の距離はその水の体積中のNaCl濃度に比例して接近するはずですね。

これを概算するにはイオン同士の平均距離を仮定すると、数学的に計算できそうです。

2.上で述べたことはあくまでイオンの平均距離ですから、確率分布によってたまたま近くに存在する場合もあるし、最大限に離れて存在する場合もあるでしょう。
つまり、25ｍもありえます。
正確に言えば、プールの最大距離は、深さと広さと長さによって決まるから、最大距離は対角線の長さとなるはずです。

お礼

ご回答ありがとうございます！

水分子の中に均等に存在すると考えるのが自然であり、イオン同士の距離はそのみ水の体積中のNaClの濃度に比例して接近するはずであり、そうすると平均距離を数学的に計算できるということなのですね。

確率分布により近いときもあれば最大限遠い場合もあり25mも有り得るということなのですね。

補足

電気分解も何もせずに、Na＋とCl－が25mも離れる事があるとするなら、

25mのプールの水(不純物0の純水)に、一分子の塩化ナトリウムを入れ、プールの端に偶然来たCl－を塩化水素(塩酸)一分子として取り出し、もう一方の端に来たNa＋を水酸化ナトリウム一分子として取り出し、そのその操作を繰り返し十分な量の塩酸と水酸化ナトリウムが集まったら、両者を中和反応させ塩化ナトリウムとし、そのときの反応熱を熱エネルギーとして取り出し、それを繰り返せば理論的には無限にエネルギーが取り出せるということになりますか？

回答No.1

NiPdPt

そもそもNaClの分子なるものは存在しません。
結晶中であればNa+とCl-が規則正しく配列していますし、水溶液中であればNa+とCl-がバラバラに動き回っています。なので、水溶液中での両者の距離を議論するのはナンセンスです。もちろん、濃度が決まれば両者の距離の平均を計算することは可能でしょうけど、それにさほどの意味があるとは思えません。

お礼

ご回答ありがとうございます！

NaClは確かに分子とは言いませんよね、

また、水溶液中であれば両者がバラバラに動き回っているから両者の距離を議論するのはナンセンスであるが、濃度が決まれば両者の距離の平均を計算することは可能であるが、それに意味があるとは思えないということなのですね。

補足

両者の距離が一定ではなく、『両者がバラバラに動き回り、さらに、濃度により距離が変化する』ということから考えると、

25mの大きさのプールの水に、一分子の塩化ナトリウムが入った状況では、Na＋とCl－の距離が25mも離れる事もあるのでしょうか？

※一分子の塩化ナトリウムと呼ぶのは間違いですが、呼び方が他にないのでそのように表記しました、また、一分子の塩化ナトリウムをプールの水に入れるという操作もあまり現実的ではないと思いますが、仮にどうなるかとします。