[化学] 化学反応や溶解はなぜ急速に反応するのでしょうか？

例えば、ビーカーに硫酸と小さな亜鉛塊を入れると1時間もせず水素を出して溶け切る。
例えば、ビーカーに水と小さな氷砂糖を入れていれば1時間もしないうちに溶け切る。
例えば、ビーカーに水と小さなガラス片を入れていれば有限時間内には溶けない。

上記2つについて、ナノレベルの微粉末であれば、1時間もしないうちに容易に溶けることは感覚的にわかります。
最後の1つは、微粉末であれば溶けると聞いたことがありますが通常はほぼ溶けない。

なお、塊ですと原子の数は6.02*10の23乗個もあります。
仮にサイコロ状のものだと、縦横高に天文学的なほどの分子や原子が積層されているわけです。それらが全て上から順に剥がされて溶ける必要があるわけですが、感覚的にとても人の寿命が終わるまでには溶け切らない気がします。しかし、実際には上記2つは1時間で完了します。
なぜ、これほど急速に溶ける事ができるのでしょうか？
また、最後の1つはなぜ微粉末にしないと溶けないのでしょうか？

一応、化学科を大昔に卒業しています。今はかなり忘れていますが、ふと氷砂糖を使って調理している時になぜ急速に溶けるのか気になりました。感覚的に分かるよう、どなたか教えていただければ幸いです。

質問者からの補足コメント

• 訂正　なお、塊ですと原子の数は6.02*10の23乗個もあります。
  　　→なお、1molの塊ですと原子や分子の数は6.02*10の23乗個もあります。

    補足日時：2021/12/26 23:02

No.3 回答者： psa29 回答日時： 2021/12/28 21:18

No.2です。

＞例えば、水を用意しても、角砂糖の表面にある分子は全体の分子の数に
＞比べ本当に僅かですのでよく有限時間で溶け切るなぁーと思うのです。
まず、角砂糖は小さな粒の集合体なので、実際の表面積は非常に大きいと思いますよ。
質問者さんが気にしなければならないのは、角砂糖よりも氷砂糖だと思います。氷砂糖は大きな塊なので、溶けるのにある程度の時間を要します。

＞しかし、気体、液体、個体と分子間の密度が増しますので衝突速度は
＞極端に遅くなりませんか？

いいえ、衝突時の運動エネルギーは温度に依存するので、同じ温度ならば
密度によって衝突速度が極端に遅くなることはありません。
それぞれが衝突するまでの平均自由工程は短くなるとは思います。
密度が増せば、衝突頻度は上がると思います。

＞個体、ZnとCuは個体のまま重ねていてもいずれは混合物である黄銅になると
＞思いますが、全て混ざるにはおそらくは天文学的な時間がかかる。
＞表面がメッキ程度だと数年で混合物になった(Znのメッキが消失)経験がります。
固体同士の溶解の場合、衝突頻度だけでなく衝突後に固体分子がどのように移動できるのか？その移動速度が重要だと思います。

＞液体、お風呂(薪タイプ)をゆっくり慎重に沸かします。
＞そうすると、上は熱いが下のほうが冷水。こんな経験があります。

スケールの違う話を混同していませんか？
例えば、温度が高い低いは分子や原子の熱運動の激しさ。運動エネルギーの大小です。では、無風状態の空気と風速100m/min.の空気の運動エネルギーはどちらが大きいですか？
当然、風速100m/min.ですよね。でも両者とも温度が25℃ならば、運動エネルギーはどうなりますか？
お風呂やコーヒーの甘い・・・は密度差や対流の話ですよね。

＞気体、最も動きが早いと思います。気体だとかなり遠くでおならをしても
＞空気清浄機が即座に反応するなど体感的にすごい速度で分子が
＞飛び回っているとは思います。

それは、気体では液体に比べ密度が低く、途中で他の分子に衝突して行く手を阻まれにくいからだと思いますよ。
つまり、気体は液体に比べ衝突頻度が極端に少ない・・・液体の方が気体に比べて、非常に高い頻度で衝突するということだと思います。

活発に動き回るわんぱく坊主が、広い原っぱで自由に動いていれば、移動距離は大きくなります。
それが、人混みの中や親に手を引かれていれば、同じ動きをするわんぱく坊主でも原っぱの時に比べ、人に衝突したり、親の手にひかれたりして、動く距離は原っぱに比べ短くなってしまう。でも動きたい気持ちはどちらも同じわんぱくです。

質問さんが最も気にしている、分子の数が天文学的に多いのに、なぜ速く溶けるのか？
やはり、ある表面を考えると、一度に非常に膨大な数の分子が、すごい頻度で衝突しているからなのだと思いますよ。

＞気体の衝突速度が7*10^10回数/秒くらいであれば確かに反応しても
＞おかしくない気もしますね。
＞ただ、液体の速度はかなり遅いイメージが有りますのでまだちょっと
＞納得できない所があります。

気体でおかしくないのならば、液体ならばなおさらおかしくないと思いますよ。
角砂糖の表面に気体分子や液体分子が衝突する場合、液体の方が圧倒的に沢山の分子が衝突するのですから・・・

この回答へのお礼

補足いただきありがとうございます。
とても良く納得できました！！

お礼日時：2021/12/31 02:18

No.2 ベストアンサー 回答者： psa29 回答日時： 2021/12/27 14:25

分子や原子の数は、質問者さんが言われるように非常にたくさんあります。

固体の表面にある沢山の分子に対して、液体の方も非常に沢山の分子が存在します。
固体表面にもし6.02*10の23乗個の分子があったとすれば、それに衝突する液体分子も同程度あり、少し数値は異なるにしろ6.02*10の23乗個に対して
6.02*10の23乗個程度の分子が同時に衝突すると考えればいかがですか？
ですが、1回の衝突では表面の１分子しか溶解しない・・・
固体の大きさ（厚さ）を考えると、まだイメージが少ないかもしれません。
非常に沢山の液体分子がどの程度の頻度で衝突しているのでしょうか？
参照HPから
気体ですら1秒間に7×10*10乗回程度衝突する。
液体ならばそれ以上ではないでしょうか？
固体が非常に沢山の分子から構成されているのは事実ですが、それに衝突する液体分子の数、頻度は質問者さんの想像を絶する数であると思います。
https://info.ouj.ac.jp/~hamada/TextLib/rm/chap11 …

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます。

まさに、私が気になっているのは、仰るようにこの個体の大きさ(厚さ)部分についてですが、例えば、水を用意しても、角砂糖の表面にある分子は全体の分子の数に比べ本当に僅かですのでよく有限時間で溶け切るなぁーと思うのです。

しかし、気体、液体、個体と分子間の密度が増しますので衝突速度は極端に遅くなりませんか？
個体、ZnとCuは個体のまま重ねていてもいずれは混合物である黄銅になると思いますが、全て混ざるにはおそらくは天文学的な時間がかかる。表面がメッキ程度だと数年で混合物になった(Znのメッキが消失)経験がります。
液体、お風呂(薪タイプ)をゆっくり慎重に沸かします。そうすると、上は熱いが下のほうが冷水。こんな経験があります。他にもコーヒーを溶かすと下はあまいが、上は苦い。液体というのはあまり運動をしておらず混合するのに結構時間がかかる。このような気がするのです。
気体、最も動きが早いと思います。気体だとかなり遠くでおならをしても空気清浄機が即座に反応するなど体感的にすごい速度で分子が飛び回っているとは思います。

その為、固体と液体の反応ですと、気体と異なり衝突速度はかなり遅くなると思います。
確かに、衝突する分子の速度が凄ければ有り得そうですが、上記の経験を踏まえるとそこまで早いとは思えないのです。

なお、気体と個体で計算してみると、6.02*10^23の立方根は10^8くらいですので、1molがサイコロ型だと、厚み方向には10^8くらい積層されているイメージ。気体の衝突速度が7*10^10回数/秒くらいであれば確かに反応してもおかしくない気もしますね。ただ、液体の速度はかなり遅いイメージが有りますのでまだちょっと納得できない所があります。

お礼日時：2021/12/28 14:12

No.1 回答者： tacoplaza 回答日時： 2021/12/26 23:05

ググらず, ここで聞くのですね..

この回答へのお礼

回答いただきありがとうございます。
どのようなワードでググればいいでしょうか？こういった説明のあるページを見つけることができなかった為に質問しております。
ちなみに、ググると原子や分子は膨大な数があるとは説明があります。しかし、その両者が出会った時、10^23個など膨大な数があり特にそれが特に塊の場合、その分子や原子が短時間で全て反応したり処理できるイメージわかないのです。

お礼日時：2021/12/27 02:19