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.9

101325 · ベストアンサー

■理系向けの回答

仮定１：空気は理想気体の状態方程式 PV=nRT に従う。
仮定２：高さ h における成分 i の単位物質量あたりの位置エネルギーは m[i]gh で与えられる。ただし、g は重力加速度、m[i]は成分 i のモル質量である。
仮定３：部屋は完全に密閉されていて、平衡状態にある。
仮定４：h ≪ RT/m[i]g

上の四つの仮定のもとで、高さ h における成分 i の分圧 P[i,h] は

　P[i,h] ＝ P[i,0] exp(-m[i]gh/RT) ≒ P[i,0] (1 - m[i]gh/RT)

で与えられる。

高さ h における成分 i のモル分率は、分圧 P[i,h] と分圧の和 ΣP[j,h] から

　x[i,h] ＝ P[i,h]/ΣP[j,h]

と求めることができるから、与式より

　x[i,h] ＝ (P[i,0]/ΣP[j,0]) (1 - m[i]gh/RT)/(1-Σx[j,0]m[j]gh/RT)
　　　　 ≒ x[i,0] (1 + (Σx[j,0]m[j]-m[i])gh/RT)
　　　　 ＝ x[i,0] (1 + (m[air,0]-m[i])gh/RT)

と計算できる。ただし、m[air,0] は高さ h=0 における空気のモル質量である。

上の式に

　m[air,0]=0.029kg/mol
　m[i]=m[O2]=0.032kg/mol
　g=9.8m/s2
　RT=2500J/mol

を代入すると、h ≪ RT/m[i]g ～ RT/m[air,0]g を満たす任意の h における酸素の平衡濃度が、基準点 h=0 における酸素の平衡濃度とどれくらい違うのかを計算する式が得られる。

■40代文系女子向けの回答

> 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？

部屋を密閉して、壁の温度を一定に保って、それから気の遠くなるほど時間が経つと、理論上は、天井よりも床の方が酸素濃度が濃くなります。私の計算が間違っていなかったら、酸素濃度の違いは次の式で求められます。

　天井の酸素濃度＝床の酸素濃度×(1－0.000012×床から天井までのメートル数)

例えば部屋の高さが３メートルだったなら床の酸素濃度は天井の酸素濃度よりも1.000036倍だけ大きくなることが、理論的には予想されます。

> 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？

部屋の空気を一度かきまわして室内の酸素濃度を均一にしたとしましょう。いったん均一になったあとでは、どれだけ静かにして待ってもほとんど分離しません。最大でも1.000036倍です。

> 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。

はい。ないです。最大でも1.000036倍しか大きくならない、ということは、昼間に部屋の酸素濃度が均一だったなら一晩で酸素が部屋の下のほうにたまることって事実上ありえない、ということです。かき混ぜたってかき混ぜなくたって下にはたまらないのですから、かき混ぜの有無は関係ない、と結論できます。

> 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。

はい。重い成分が下にたまる、という考えは間違いではないのですが、
　(1) 酸素や窒素の分子のひとつひとつはとても小さくて軽い
　(2) 空気中の分子が熱運動している
ために、濃度の差は測れないほど小さくなります。測れないほど小さい、ということは、重い成分でも下にはたまらない、ということです。

■もう少し詳しい回答

(1) 酸素や窒素の分子のひとつひとつはとても小さくて軽い、それならもっと重い二酸化炭素CO2ではどうなるか？

さほど変わりません。1.000036倍が1.0002倍くらいには変わりますけど。

(2) 空気中の分子が熱運動している、それなら空気が液化しそうなほど部屋の温度を下げたらどうなるか？

さほど変わりません。1.000036倍が1.0002倍くらいには変わりますけど。

(3) じゃあ、理科の時間に上方置換とか下方置換とか習ったけど、あれはなんだったの？

あれは、アンモニアとか塩化水素とかの発生させた気体が空気中に拡散していく速さ(気体が空気と混ざり合う速さ)よりも、もっと速い速度で発生した気体を捕集瓶に送り込んでいるので、瓶に気体を溜めることができます。空気中の酸素の場合とは違って、アンモニアとか塩化水素とかの気体がはじめはひとまとまりになっている、という点がポイントです。

(4) 洞窟や窪みなどに二酸化炭素が溜まるのはなぜ？

いったん空気と混じったあとの二酸化炭素は、(私の計算に間違いがなければ)下には溜まりません。二酸化炭素が低地に溜まるのは、先の下方置換の原理と同じで、どこかで発生した二酸化炭素が空気と混ざり合わずに低いところに流れ込んだためでしょう。

ちなみに＃６さんの回答にある、HClとNH3の実験は良く知られた実験ですけども、この実験の結果を「分子の拡散」で説明してはいけない、ということも良く知られています。この実験もまた、気体がひとかたまりで動く例の一つです。
http://ci.nii.ac.jp/naid/110001824837

お礼

ありがとうございました。

理系向けのご回答は、一行目でギブアップですが、文系女子向け以下、大変勉強になりました。

回答No.10

fxq11011

成分で・・・・。
海の水、塩水、水に塩が溶けていますね、いったん溶けて混ざると、原則どこをとっても濃度は同じですね。
分子レベルで見ても、化合しているわけでもなく、ただ混ざっているだけのはずですね。

お礼

ありがとうございました。

回答No.8

fxq11011

空気の場合は風がなくても温度による対流があり、実感するのは困難ですね。
布団頭からかぶって寝ても、吐いた息の炭酸ガスで窒息しませんね、布団を通して対流しているからです。
参考　コップに濃い塩水の上に真水を静かに入れると、２層に分かれます。
そのまま長時間放置すると境目がなくなり、やがては均一化します。
エントロピー増大の法則とか？
エントロピー＝利用できない熱エネルギー。
秩序あるものより、秩序のない混沌がエントロピー最大になるらしい。

お礼

ありがとうございました。

エントロピー・・・初めて聞く言葉です。勉強になりました。

回答No.7

noname#212313

無風状態で長く経過すると、空気とて分離が起こります。低温だとさらに起きやすくなります。イギリスの事例だったと記憶していますが、犬を連れて入ると犬だけが死ぬ洞窟、というものが評判になったことがあります。調べてみると事実で、原因は（風評で流れていたオカルト的なものでなく）、二酸化炭素が地面近くに溜まったためでした。

　二酸化炭素はCO2、酸素はO2ですから、1分子当たりの質量は二酸化炭素のほうが重く、無風であれば平均的には二酸化炭素が酸素より沈んできます。上記の洞窟では、二酸化炭素濃度が犬の呼吸する高さでは高くなっていて、人が立って歩くときの鼻や口の高さではそうなっていなかったということです。

　地球の大気中でも、水素やヘリウムは上へと上がって行ってしまいます。水素やヘリウムは宇宙空間では最も多い物質で、大昔に地球が出来た頃には大気中にふんだんにあったはずです。しかし、軽いので上に上がり、さらに宇宙へ逃げて行ってしまったと考えられます。ですので、大気中には単体で利用できる水素やヘリウムは事実上ありません。

　しかし、酸素、窒素、二酸化炭素といった大気の主成分は普通は均等に混じり合っています。それは風があるからです。例えば石油ストーブを室内で使うと、二酸化炭素が出ます。その二酸化炭素が床近くに溜まることは普通はありません。石油ストーブは熱を出していますから、温まった空気は冷たい空気より軽いため、は上に向います。対流と呼ばれる現象です。

　屋外でも太陽に熱せられて、対流が大規模に起こっています（※熱い低緯度の地域の空気が上昇気流となり、上空で寒い高緯度地域へ向かい、高緯度地域で冷えた空気は地表近くで低緯度地域へ向かう、等）。

　対流以外にも空気の流れ、つまり風は至る所で起こっています。人が歩くだけでも空気はかき乱されます。上述の洞窟の場合、普段はほとんど人が通らないものでした。人や車が頻繁に行き来するトンネルなどですと、人や車が空気をかき乱し、かき混ぜるため、二酸化炭素が地面近くに溜まって犬だけが死ぬなんて現象は起こりません。

　要は、お考えのことは常に起こっているんですが、至る所に風があってかき混ぜられているため、普通は解消されてしまっているということです。

お礼

ありがとうございました。

犬の話、大変興味深く読ませていただきました。

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。

回答No.5

ryo_ Deathscythe（@Deathscythe）

個室でも完全密閉されているわけじゃないからです。
わずかでも隙間があれば対流は必ず起こります。

人がいれば一切微動だにしないなんて事はありえないし、呼吸する以上空気をかき混ぜます。

ただ入り口が狭く深い地下に大人数が入れば、
循環が追いつかずヒトのはいた二酸化炭素はやはり比重が重いため溜まり易くはなります。

お礼

ありがとうございました。

ほんのわずかな流れでも、空気はかきまわされてしまうのですね。

回答No.4

weboner

>濃い部分と薄い部分があるのでしょうか？
酸素は大気の成分の中では軽い方なので、酸素濃度が濃くなることはないですが
酸素より重い気体の二酸化炭素濃度が濃くなっている場所は有ります
（相対的に酸素濃度が薄くなる場所ですね）

自然現象としては、火山性の２酸化炭素がくぼんだ盆地に溜まるものだとか、湖に貯えられていた二酸化炭素が何かの原因で地上にもどったなどというものがある。いったん地上に出てくると、空気より重い（比重は空気の１．５倍）のでたいてい下のほうに沈む。
↑
http://30932531.at.webry.info/201102/article_11.html　からの抜粋

身近にはマンホールの中（下水道）とか地下ピット等が

お礼

ありがとうございました。

昭和の音楽番組のドライアイスのけむり（二酸化炭素）は、床にたまってますよね。

回答No.3

bakabon_X

今日は

スープの中には、砂糖と塩がありますが、一定の割合で、砂糖と塩が混合している様に
空気も酸素と窒素が一定の割合で混合していると思います。

例えば、１ｃｃの空気について、それらの割合を測定すれば、測定ごとに、酸素と窒素の
割合は異なっていると思います。

これは、私の推論であります。

お礼

ありがとうございました。

回答No.2

tetsumyi

空気分子は常温では、１秒間に数キロと言う速い速度で飛び回っています。
分子同士はお互いにぶつかったり壁にぶつかったりしてかき混ぜられています。
空気は軽いですが、そのぶつかる力は１ｃｍ四方で約１ｋｇですから、とんでもない力でかき混ぜられていると同じです。
と言うことで、室内でも空気分子自身が飛び回ることでかき混ぜられます。

これが何キロ、何百キロと言う広い範囲では短時間ではかき回されないで、低気圧高気圧という気象現象をとなって風が吹き上昇気流が起きて混じり合おうとしています。

お礼

ありがとうございました。

なんだかわかったような気がします。

回答No.1

takuranke

重力による拡散分離作用（重いものは下に、軽いものは上に）は働きますが、
対流圏界面以下（高度11km以下）では、乱流によりかきまぜられるので大体どこでも均一（混合比が同じ）になっています（ただし、希ガス以外の微量期待の場合は別です）。

お礼

ありがとうございました。