液体の水と蒸気になっている水の分子のかたち

質問

分子の形にどのような違いがあるのでしょうか。とくに蒸気が高圧になっている際の形は結晶のような最密の配置になっているのでしょうか。

回答No.2

sunabo · ベストアンサー

水分子は酸素原子Oに水素原子Hが2個共有結合した分子である。
2つのO-H共有結合は特定の角度を持つ。自分の知識はここまで
でした。

調べて分かったことは、OとHの距離は0.957?。角度は104.5°であ
る。
http://www.con-pro.net/readings/water/doc0002.html

でも、高圧の蒸気になった水分子は角度が変わったり、距離が変
わるのではないか?というのが問と思われます。共有結合の話。

たしかに、水素結合の話が多く検索非引っかかる。水分子同士は
一方の水分子の酸素原子と相手の水分子の水素と水素結合を持つ
。という点の方が影響度が高いようです。
実験的。
http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/research_highlights/no_54
分子動力学シミュレーション的。
http://www.iu.a.u-tokyo.ac.jp/lectures/AG07/100614/100614.pdf
超臨界液体。
http://e.sci.osaka-cu.ac.jp/yoshino/edu/water/chapter10.pdf

あとは、特に根拠のない話
でも、質問の趣旨は共有結合の話。だって、蒸気の話だから。蒸
気になっちゃうと、分子同士の接触が少なさそうだし、水素結合
の影響が少なさそうだし、分子同士が押し合って分子の形の変化
もなさそうです。

とはいいつつも、高温、高圧の蒸気だったら、水分子がものすご
く早く回転して、回転の方向が共有結合の軸に水平な方向で、ジ
ャイロ効果?で角度が180°に近くなったりするかも。
共有結合の軸に垂直な方向で、遠心力で、共有結合の距離が伸び
たりするかも。なにかの研究結果の回答があるといいな。

お礼

私の疑問を詳細に開設していただきました。マクロとミクロの接点にはいつも疑問が出てくるようです。

補足

開設は解説のミス入力でした。お詫び申し上げます。

回答No.4

sunabo

http://www.mns.kyutech.ac.jp/~kishine/notes/1Aoyama_Lecture0809_1st_day.pdf
上記URLの16ページで水分子の基本振動の話をしている。

参考URLではアンモニアNH3の話をしている。こちらの方が
興味深い。コレジャナイ感アリナシほぼほぼってかんじ。
アンモニア分子中の3個の水素原子Hの上に、ピラミッドのよ
うに窒素原子Nが乗っかっているような感じ。だが、3個の水
素原子の成す面の表と裏に、N原子がすり抜けてビョンビョン
しているらしい。ミクロだね～トンネル効果だね～ってかんじ
。
粒が四つ同一平面上にないので、表裏ができるみたい。粒が3
つの水分子はどうやっても同一平面上になっちゃうもんね。

参考URL：

http://asrc.jaea.go.jp/kisonote/kagaku/22kagaku/22ryuudounote.pdf

お礼

分子が変形しないで振動できるはずがありませんね。大変為になるお話でした。

回答No.3

sunabo

電離が答えになるかもしれん(参考URL)。プラズマは気体だが
低圧みたいだ。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%97%E3%83%A9%E3%82%BA%E3%83%9E
あとは、発電所のタービンを回す蒸気は高温高圧だな。
http://www.tenpes.or.jp/files/topics/14620_ext_06_0.pdf
たぶんコレジャナイ感アリアリだろうがとりあえず。

参考URL：

http://www.tacmina.co.jp/library/coretech/44/

お礼

熱すると空気は膨張するのですが、分子そのものが変形しないで膨張することができるというのがよくわからないのです。

回答No.1

kagakusuki

水の様な分子性物質の場合、基本的には液体の状態と気体の状態で分子同士の間隔が異なるだけであり、分子自体の形は全く変化しません。

>結晶のような最密の配置になっているのでしょうか。

　4℃の水よりも0℃の氷の方が密度が小さい事からも判ります様に、常圧において安定な普通の氷の結晶は最密の配置ではありません。
　また、液体の水で比較的温度が低い場合であれば、一部の分子にのみ氷の結晶と同様の配置が少し残っている傾向がありますが、その配置は温度が高い状態では分子の熱振動によって壊されてしまうため、氷の結晶と同様の配置となっている水分子の割合は温度の上昇とともに減って行き、正確な温度は忘れましたが、100℃になるよりもかなり低い温度で氷の結晶と同様の配置はなくなってしまいます。

>とくに蒸気が高圧になっている際の形は

　1気圧においてすら水蒸気となるためには100℃以上の温度が必要なのですから、高圧において気体の水蒸気となっているという事は100℃を超える温度となっているという事を意味します。
　先述しました通り、その様な高温においては氷の結晶と同様の配置が分子の熱振動によって壊されてなくなってしまいます。

　それから質問者様は勘違いをして居られるようですが、常圧において安定な普通の氷の結晶では、単に分子同士の配置が水素結合によって固定されてしまっているというだけであって、分子自体の形に関しては「常圧において安定な普通の氷の結晶」も液体の水や気体の水蒸気と全く変わりがありません。

お礼

熱振動というのは分子の形状には変化が起こらないものなのでしょうか。マクロの物体の弾力というかか弾性のようなものはないのでしょうか。