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食塩と砂糖とを水に溶かした時の、溶液全体の体積変化について質問があります。

例を1つ挙げさせていただくと・・・
2つのビーカーに87gずつの水を用意し、食塩水と砂糖水を
それぞれ13gずつ溶かします。(質量パーセント濃度13%)
それぞれにじゃがいもを放り込むと、食塩水側ではジャガイモは浮き、
砂糖水側ではジャガイモはビーカー底に沈んでいます。

これは、砂糖水の方が体積が大きいために、同じ100gであっても
密度が食塩水より小さくなるためだと思います。

その原因を教えてください。
少し考えてみたのですが、塩化ナトリウムは電離して粒1個ずつに
バラけるのに対して、砂糖の粒は炭素や水素原子がいくつか
集まっていて、例えばドーナツみたいに真ん中に空洞ができてて、
体積が大きくなるような感じでしょうか?
いちおう高校はでたのですが、ココまでしか考えが及びません・・・。

たったこの理由だけでそんなに大きく差が出るのかが疑問です。
目に見えるほどの体積差が出るのでしょうか・・・?
ジャガイモの密度は、運よくこの2つの水溶液の密度の間なんでしょうか・・・。

多少こまごまとした値が出ても、頑張って読みますので、
詳しい方、お暇でしたらお教えください・・・。
よろしくお願いいたしますmm

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A 回答 (4件)

>多少こまごまとした値が出ても、頑張って読みますので


出ません。
水分子は電気的双極子の性質が大きいのです。
ここに食塩を溶かすとおっしゃる通りNa^+とCl^-イオンに分れます。この分れること自体が水の双極子としての性質に大きく依存しています。
Na^+イオンとCl^-イオンの周りには莫大な水分子の塊(クラスター)が生じます。
Na^+は酸素の非結合電子対(lone pair)に配位する形で水に取り囲まれます。それでもなお陽電荷が他の水分子に感じられるのでNa^+の方向に酸素が向いた双極子の二重、三重の層がNa^+イオンを取り囲みます。
Cl^-の場合には水の水素にCl^-の電子で埋まった軌道が配位する形になり、またその外側を今度は水素側をCl^-に向けて水が層をなします。
この効果によって水が「収縮」するのです。
一方蔗糖を水に溶かす場合にはこの様な電気的効果は生じません。体積は溶媒と溶質の排除する空間の大きさの和です。
この様な効果により「電解質溶液」の密度は大きくなります。
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密度に違いがあったということですが


結構微妙なものではないか問い思います。
水ではやって見られましたか。
基準になります。
食塩水、砂糖水の調整のチェックにもなります。
(溶けきっていないという場合がよくあります)

化学便覧に食塩水の濃度が載っていました。
10%  1.069g/cm^3
12%  1.084
14%  1.099 

砂糖水の密度は載っていませんでした。

検索しているうちに10%ショ糖溶液で1.06という数字を見つけました。10%食塩水とほとんど同じです。
元の物質の密度の違いはほとんど現れていません。
(ショ糖水溶液の濃度と密度の表、ご存知の方がおられましたらお願いします。)


#3に
>ショ糖であっても水にそれなりに溶けるからには水とそれなりに引き合います。
ただし、引き合う箇所は少ないので、水同士ほどの引力は働きません。

>これは例えばメタノールを水に溶かした場合などを考えるとより分かりやすいかもしれません。

ショ糖は水によく溶けます。「それなりに溶ける」というレベルではありません。水100gに20℃で204g、45℃で245gです。

「高校生に砂糖と塩とどちらが水によく溶けるか」と質問すると「塩の方がよく溶ける」という方が多数派になります。砂糖はあまり水に溶けないと思われているようです。

「引き合う箇所が少ない」と考えるのは間違いです。11個のOのうち8個が-OHを作っています。そのOHが全てむき出しです。水素結合の能力のかなり高い物質です。
氷砂糖のような硬い結晶を作るのは水素結合によるものです。輪が2つもある構造の有機物で密度が1.6g/cm^3もあるのは分子間の結合が強いからです。
C2H402の酢酸とC6H12O6のグルコースで密度を比べてもらうと分子間の結合に違いのあることがわかります。
エタノールとの比較は出来ません。(  )-OHではダメなのです。
エタノールの密度は0.79g/cm^3です。極性はありますが分子間力は水よりもかなり弱い物質です。

#2に
>一方蔗糖を水に溶かす場合にはこの様な電気的効果は生じません。体積は溶媒と溶質の排除する空間の大きさの和です。
この様な効果により「電解質溶液」の密度は大きくなります。

極性の弱い物質を溶かしている場合については当てはまるだろうと思います。でも糖類や有機酸、アルコールの場合は一概に言えないのではないでしょうか。同じような効果が存在するが程度が異なるというだけの様な気がします。
酢酸の密度は1.049g/cm^3です。水とあまり変わりません。
酢酸水溶液の濃度が化学便覧に載っています。45%~100%の範囲で密度が1.049g/cm^3よりも大きくなります。最大値は1.065g/cm^3です。10%の食塩水に近い値です。体積の収縮が起こっています。体積の収縮は水-エタノールの場合でも起こります。
ショ糖でもおこっているかもしれません。
体積の排除効果があるとすると周りの水の収縮がそれを打ち消すだけは起こっているということになります。

とにかく密度の違いは微妙なものだという気がします。
ひとつの理由では説明できない可能性があります。
#1、#2はともに理由のひとつになるでしょう。
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#1さんの回答は場合によっては正しいですが、この場合適切だとは思いません。



#2さんの回答でだいたいいいのですが、若干不満が残ります。
なので補足回答です。

ショ糖であっても水にそれなりに溶けるからには水とそれなりに引き合います。
ただし、引き合う箇所は少ないので、水同士ほどの引力は働きません。
ショ糖が水に溶けることで水同士の結合が一部切られるために水同士がギュッと集まった状態が少し解消されて全体の体積は増えて、密度は低くなる結果となります。
これは例えばメタノールを水に溶かした場合などを考えるとより分かりやすいかもしれません。

#2さんもわかった上で回答を簡潔にするために下のように書いたのかもしれませんが、一応補足しておきます。
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具体的な数値は後回しにして・・


 塩素は原子量が35.5と、とっても重たいですね。
 そのため、そもそも食塩とショ糖では、2.16 g/cm3と1.587 g/cm3と随分と違う。
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Aベストアンサー

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濃度が同じであっても密度は同じではありません。かなり変わります。
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Aベストアンサー

厳密には、「溶質の体積+溶媒の体積=溶液の体積」にはなりません。また、液体を混ぜたときの体積がどうなるかについては、溶液の各温度、各濃度の実験データを使用するほか実用的な計算方法はありません。
しかし、
実用上(精度的に)そう考えてよい場合が多くあります。また、希薄溶液で、溶質の体積が全体の1/1000程度と小さければ、「溶媒の体積=溶液の体積」としても実用上問題はないでしょう。

質問の場合、
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厳密には、「溶質の体積+溶媒の体積=溶液の体積」にはなりません。また、液体を混ぜたときの体積がどうなるかについては、溶液の各温度、各濃度の実験データを使用するほか実用的な計算方法はありません。
しかし、
実用上(精度的に)そう考えてよい場合が多くあります。また、希薄溶液で、溶質の体積が全体の1/1000程度と小さければ、「溶媒の体積=溶液の体積」としても実用上問題はないでしょう。

質問の場合、
「溶質の密度が1.35g/ml、質量が10mg」→10[mg]/(1.35×10^3[mg/mL])=0.0074[mL]=7.4[uL]
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> 水100gに砂糖100gを溶かせば密度は2.00g/cm3になりますよね。

いいえ,なりません。

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まず,水溶液の質量について考えてみましょう。水 100 g と砂糖 100 g との混合物の質量は 200 g です。このように,混合物の質量は,常に原料の質量の和になります。このような「足し合わせが成り立つ性質」のことを「可成性」と呼びます。質量に可成性が存在することは「質量保存の法則」に記述されておりますね。

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つまり,計算によって質量は求められても,体積を求めることができないので,通常は水溶液の密度を計算することはできません。


> 密度2.00g/cm3の砂糖水を作るには

これは理論的に不可能です。砂糖の比重が 1.6 g/cm3 ですから。さらに水への溶解度を考えなければならないので,dora1 の仰る密度 1.3 g/cm3 位がほぼ上限なのではないかと思います。

参考URL:http://www.chemistryquestion.jp/situmon/shitumon_koukoukagaku_kagaku21_volume_change.html

> 水100gに砂糖100gを溶かせば密度は2.00g/cm3になりますよね。

いいえ,なりません。

密度は「単位体積あたりの質量」ですよね。つまり,水 100 g と砂糖 100 g とを混合した水溶液の体積を,その質量で割れば,密度が求められます。

まず,水溶液の質量について考えてみましょう。水 100 g と砂糖 100 g との混合物の質量は 200 g です。このように,混合物の質量は,常に原料の質量の和になります。このような「足し合わせが成り立つ性質」のことを「可成性」と呼びます。質量に可成性が存在すること...続きを読む