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「ロウソクの科学」という本に、水の電気分解で、「水素は酸素の2倍以上の大きさ
でとれた」とあり、「あれは、水素が、酸素よりもとっても大きいからなんだ。だから、
水の中には酸素の方が多い」と説明してあります。
(※角川つばさ文庫 p.105)

水の電気分解は、
 2H20 → 2H2 + O2
だから、水素が酸素の2倍発生するのはわかります。

でも、水素が酸素より大きい、だから酸素の方が多い、というのがわかりません。
(この説明では、大きい方が少ない、というように記載されております)

普通に考えて、元素番号1の水素より、元素番号8の酸素の方が大きいように思います。
(元素番号と記載しましたが、陽子・中性子の数で大きさは決まる?(元素番号=陽子数)

また、水素と酸素の多さについては、大きさではなく、水の化学式H2Oからもわかるように、
酸素1に対し水素2だから、水素の方が多いような気がするのですが・・・。

詳しくご説明いただけると助かります。

よろしくお願いします。

A 回答 (6件)

なんというか……ですね。


常温常圧付近では、水素や酸素を含めて、実在気体はほぼ理想気体として振る舞います。
ファラデーがこの ろうそくの科学 を著述した1861年には、ボイルシャルルの法則やアボガドロの法則は既に明らかになっており、気体の状態方程式も確立されています。

気体の状態方程式の元となるボイルシャルルの法則(こちらも気体の状態方程式と言うことがある)は1787年頃には既に発表されていました。
まだアボガドロの法則が提唱されていないので、
PV/T=k k:定数 という形ですが、既に、気体の状態方程式としての体裁は18世紀末にはできていました。

アボガドロの法則とは、
同一圧力、同一温度、同一体積のすべての種類の気体には同じ数の分子が含まれるという法則 で、分子の質量の大小が分子の運動に影響を及ぼし、気体の体積が異なってしまうことはありません。
この法則は1811年にアボガドロによって提唱されています。

このあと1820年頃までには、気体の状態方程式は完成したようですが、正確な年代はこの手の質問がある度に調べているのですが、わたしは調べきれていません。
これで、気体の状態方程式 PV=nRT が完成し、
それぞれが P:圧力 V:体積 n:物質量 T:絶対温度 R:気体定数 を示します。


ファラデーの実験は1860年に公開セミナーのような形で行われたもので、実験条件は常温常圧です。このセミナーから執筆に至っています。
この常温常圧では、気体(水素も酸素も)は理想気体と同様な挙動を示し、電気分解による水素の生成量は、酸素の生成量の2倍になります。
水素分子の質量が軽いため、分子の運動が激しくなり体積や圧力が大きくなることは絶対にないです。

原本の訳本中には、以下の部分の言及がないのも、
「あれは、水素が、酸素よりもとっても大きいからなんだ。だから、 水の中には酸素の方が多い」
という一文はどこの出典なのかよく判らないですが、少なくとも、マイケル・ファラデーは、アボガドロの法則や気体の状態方程式を理解していたため、
岩波文庫の原本の訳文では、「電気分解すると、私たちは2体積の水素と、水素を燃焼させる1体積の気体を得ます。」と、化学反応や気体の性質を理解している記述が観られます。
ファラデーは物理学者でもありますが、こと実験することにかけては正確な実験をし、データにも定評があったそうです。

前の回答に書きましたが、分子の大きさや運動が気体の挙動に影響して理想気体からズレた挙動を示すのは、高温や高圧下でのことで、誰かのようなことはありません。
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No.3さんへのお礼について



一行目は単純に水素と酸素の比。
二行目はそれで水を100としたら水素と酸素の存在量がどれだけか(要は、%表示、ですね。

そう考えると、元のご質問への回答は
水素は水の電気分解という実験の『結果の見た目』として、酸素の2倍以上の体積で取れた(ここが1個目の大きさ)。その原因は、同じ重量で比べた時の水素の体積は、酸素の2倍どころか「8倍以上大きい」からなんだ(これが2個目の大きさ)。だから、『質量でいうと、実は見かけの大きさが小さい酸素の方が、水素よりずっと多い[ざっくり4倍]ことになる。>>>これが最後だけ大きさ、ではなく多さ、で書かれている理由。


ま、訳が下手ですね。ファラデーの元の文章も、かもしれませんが。
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水素は分離した場合、ガスにすれば多いが重量は少ないということです。


水の構成要素としては酸素の方がはるかに多い。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2020/07/12 15:39

言葉のとらえ方の問題だと思います。



『大きい』は、同じ質量なら
水素の方が体積が大きい。
酸素の方が体積が小さい。
ってことです。

それに対して、
『多い』は、同じ体積なら、
水素の方が質量は少ない。
酸素の方が質量は多い。

ってことでしょう。

具体的な数値としては、
水素分子の比重は、0.0695
酸素分子の比重は、1.14
水素は、16.4倍も軽いのです。
だから、同じ質量なら、
16.4倍も大きいってことです。

水素は1個の陽子と1個の電子
でできているから、小さい。
というのは、考え方が違います。
質量が小さいというだけで、
エネルギー(温度)に対する
『動き』が大きくなるわけですから、
それだけ体積も大きくなるのです。

どうでしょう?
ご理解いただけたでしょうか?
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この回答へのお礼

ありがとうございます。
「同じ体積なら」「同じ質量なら」という考え方、とてもよくわかります。筆者はそれがいいたかったのかもしれません。
単なる「角川文庫」もありましたのでそれには、下記のように記載されていました(p.114)
  「私たちは、二体積の水素と、それを燃やす、一体積の物質とを得ました。これら二つの物質は、
   つぎの表に、その重さとともにあらわしてあります。こうして私たちは、酸素が水素にくらべて、
   ひじょうに重い物質であることに気がつくのであります。」
     表: 酸素八  水素一
        酸素88.9   水素11.1  水100.0     ←この表、なぜ2つあるのかなど、あまり意味わかりませんが・・・
なので、角川つばさ文庫と角川文庫でさえ、表現は異なっています。

お礼日時:2020/07/12 15:37

岩波文庫(原本の訳本)では、


「水素は酸素の2倍以上の大きさでとれた」という記述は見当たりませんし、
「水素が酸素より大きい、だから酸素の方が多い」の方もよく判らないです。
ご指摘にように、水素と酸素の多さについては、大きさではなく、量で記述しています。
水素2:酸素1 という感じで記述していますね。

解説書が、何故このような記述になったのかは編集者や執筆者の意図が解らないでの私には答えられないです。

>普通に考えて、元素番号1の水素より、元素番号8の酸素の方が大きいように思います。
これはその通りの事なのですが、日常生活を送る常温常圧下では、実在気体は理想気体(気体の状態方程式にしたがう)のように振舞うことが知られています。
気体の状態方程式 PV=nRTに、ほぼ従い、圧や容積、温度、物質量が決まります。
気体分子の大きさ、例えば水素分子が酸素分子よりも小さいことは考えなくてい良いです。
高温高圧の条件下では理想気体から実在気体の挙動がずれて分子の体積や電荷分布を考えないといけないです。


岩波だから解説本もちゃんとした人が監修して執筆していると思うのですが、誤解を招く記述だと思います。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2020/07/12 15:38

この大きさ、は電気分解を「クリスマス講義で『一般の方に』」演示しながら、ですから『体積』の話です。

理想気体、というわけではないですが、原子番号(ですよね?)に関係なく、物質量に比例します。
で、原本が家なので確認できませんが、「だから、水の中には酸素の方が多い」は間違いでは?

※因みに、ミスプリントではないにしても、「見かけの体積は大きいけど、個々の水素が酸素よりもめちゃくちゃ大きいなら、量としては酸素の方が多い」は国語的に間違いではないですよね?
 たとえば、当時は未だ理想気体がわかっていなかった、とか:ほとんど独学の方ですしね。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2020/07/12 15:38

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