拡散について

Question

初めて質問します。化学の授業で気体分子は熱運動によって拡散していくと学習します。それは納得できるのですが，ではなぜプロパンガスは部屋の下にたまるのでしょう。空気より重いからというのはわかりますが、拡散には気体分子の質量は関係あるのですか。誰か教えてください。お願いします。

dojustice · Accepted Answer

時間の問題です。
時間をかければ、均一に混合します。
「浮力」では、「拡散」という「熱力学的性質」の説明は出来ません。

分子量が大きい物質は、平均飛距離が短く、速度も遅いです。
平均速度は、分子量の平方根の逆数に比例します。
http://chem.sci.utsunomiya-u.ac.jp/v2n2/kashida/pdf/chemt202.pdf

「2.2　気体の性質」の「図2.4」を見てください。
H2の平均速度は約1600m/sですが、O2, N2の平均速度は約400m/sです。
プロパンの分子量は44ですから、O2,N2よりもっと遅く、平均飛距離も短く、この両者は
なかなか混合しません。
しかし、時間をかければ混合します。

気体の拡散についての理論、実験はGoogleで検索すればいっぱい出てきますので、ご覧に
なってください。
楽しいですよ。

参考URL：http://chem.sci.utsunomiya-u.ac.jp/v2n2/kashida/pdf/chemt202.pdf

dojustice · Answer

A6さんへの反論です。(^_^;)

１.液体を引き合いに出してもらっても、役に立ちません。
　気体と液体では分子の挙動が全く違います。
　気体中の分子は、「平均速度も、平均飛距離も格段に大きい」というのが拡散の成立する要件なのです。

２.「タンクの中では均一になる」と認める一方で、「高圧だから」という論理が納得できません。
　何故圧力が関係するのですか？
　どれくらいの圧力を想定されていますか？
　勿論、超臨界圧ともなれば、物性も変わってくるでしょうが、たかだか10～30気圧くらいで、
　常圧と異なった物質移動現象が起きるとは考えられません。

質問者様
このサイトではディスカッションは禁止されています。
以後、わたしは反論しませんので、後は質問者さんの裁量でご決定ください。
引き伸ばせば伸ばすほど、くだらない意見がいろいろと舞い込みます。(^_^;)

haru-uraran · Answer

>>比重の違う気体は均一になることはないということですかね？

比重が大きく違う二種類の気体が、大気圧下で放置していて（攪拌など行わず）均一になることはないと思います。
気体だと分かりにくいかもしれませんが、水と油で考えれば分かりやすいと思います。一つの容器に入れて時間が経っても均一にはなりませんよね？

正確には酸素と窒素も比重は違います。しかしこの二つはほとんど比重に差がないため、均一になっています。




ただし、上の話は部屋（＝容器）の上、下にたまるという話です。

例えばガスボンベやタンクの中では、各構成ガスは１気圧をはるかに超える圧力がかかります。こういった場合、比重差が大きくても圧力が大きい（＝外に広がろうとする）ため、タンク、ボンベの中では均一になっていると思います。

dojustice · Answer

都市ガスはメタンまたは水素を主成分にしていますから、空気より軽いですね。
http://www.saibugas.co.jp/gaskan/sosei.htm

これも同じで、一つの容器に入れて時間が経てば均一になると思いますが・・・。

比重差により分離するものなら、例えば5Ｃのように、水素とCO2が混在するものは、タンクの中で
分離してしまうでしょう。

お礼欄記入の内容と、ポイントがずれていますでしょうか？

参考URL：http://www.saibugas.co.jp/gaskan/sosei.htm

haru-uraran · Answer

なにか皆さん、混乱されてるようですが…

そもそも「プロパンガスは部屋の下にたまる」ことと「拡散」は無関係です。

プロパンガスが下にたまるのは単純に空気（窒素＋酸素）よりも重いためです。
このことは水と油でいいのかな、もしくはお風呂のお湯でも想像できると思いますが、単純に密度の大きなものは下にたまります。
これは時間が経過すればするほど顕著になっていきます。
（例として、ドレッシングをものすごい勢いで振った場合、振り終わった直後は混合してますが、時間が経てば経つほど分離しますよね）

では「拡散」とはなにか。
想像しにくいかもしれませんが、空気中の窒素や酸素もすごい勢いで拡散しているのです。もちろんプロパンガスも拡散しています。
要するにNo.3のかたが示した拡散速度というのは下のほうのプロパンガスは下のほうでゆっくりとした速度で拡散していて、酸素窒素は上のほうですごい勢いで拡散している。ただそれだけのことです。

で、ようやく質問に答えるわけですが、
拡散（速度）には基本的には質量とは関係ありません。
拡散速度は、拡散する元素の濃度勾配や拡散を妨げるものの有無（活性化エネルギー）などで決まります。

SCNK · Answer

拡散で分子が飛んでゆくのは慣性力です。それより空気の浮力の方が強いから下にたまるのです。

質量が大きいほど、拡散しにくいですよ。それだけ大きなエネルギーが必要だからです。その仕組みを利用したのがウランのガス拡散濃縮法です。でも遠心力で浮力を増強した方が、よっぽど効率的なんです。ですからこの質問の回答のように、ウラン濃縮でも遠心法が主流となりました。

company939 · Answer

それは「浮力」の影響じゃないですかね？
質量と重さは地球上ではほぼ同じと考えていいでしょうね。
「ほぼ同じ」とは言葉遊びのようですが、地球上では２物質の重量が同じだからと言って質量も２物質とも同じとは限りません。

重量が同じモノ同士でも地球上では重力があるので質量の大きい物質のが下方向に集まり、小さいものが上集まることになります。これが浮力です。

宇宙空間では浮力はありませんよね。

「地球上」と「宇宙空間」という環境の違いと考えていいのかもしれません。

拡散について

時間の問題です。

A6さんへの反論です。

>>比重の違う気体は均一になることはないということですかね？

都市ガスはメタンまたは水素を主成分にしていますから、空気より軽いですね。

なにか皆さん、混乱されてるようですが…

拡散で分子が飛んでゆくのは慣性力です。

それは「浮力」の影響じゃないですかね？

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