なぜ水溶液は電気的に中性なのか

どうして電解質水溶液は常に電気的に中性なのでしょうか。
陽イオンが多く全体として＋に帯電した水溶液、または陰イオンが多く全体として－に帯電した水溶液はなぜ存在しないのでしょうか。

※添付画像が削除されました。

No.3 ベストアンサー 回答者： htms42 回答日時： 2010/01/29 08:35

物理でコンデンサーという電気素子がでてきます。

電圧をかけると電気をためることができます。
向かい合わせにおかれた２枚の金属板の表面に正負の電気がたまります。回路がつながっている状態でかかっていた電圧がなくなれば正負の電荷は消失します。
帯電している状態は正負の電荷にアンバランスが生じている状態です。金属板の表面だけに存在します。
コンデンサーの容量はファラッドＦ（これはファラデーの名前に由来する単位）です。容量には他の素子では出てこないような小さな数字が出てきます。μＦとかｐＦです。１Ｖの電圧で１Ｃたまればそのコンデンサーの容量は１Ｆです。１ｐＦというのは１Ｖかけても１０^(-12)Ｃしかためることができないコンデンサーということです。ものすごく小さいように見えますが普通に使われているものです。
１Ｃという電気量はとんでもなく大きいものです。
１価の正イオン1モルの持つ電気量は９６５００クーロンであるというのは電気分解の単元で出てきます。

雷で放電される電気量が１回でせいぜい数Ｃだということですから摩擦電気でたまる電気量などごくわずかなものです。それでも冬場にセーターなどを脱ぐときに火花が飛ぶことがあります。たまった電荷による電圧が高くなりすぎて空気の絶縁だけでは足りなくなっているのです。　
電気的な中性を破るというのはそれだけ難しいということです。破っても表面だけです。摩擦電気なども表面だけのものです。内部で電荷の中性を破ることはできません。

摩擦電気は電圧をかける代わりにこするという仕事を加えています。こするという動作は磨くとか削るに準ずるような大きなエネルギーを与えるものです。磨いて光るというのは表面にある物質を剥ぎ取っているのですから化学結合を切っています。いろんな断片ができるので電荷のアンバランスもできるのです。ポイントは再結合が起こらないような何らかの仕組みが存在しているということです。回路が開いていなければコンデンサーにたまっていた電荷は消失するはずだということと同じことです。
水溶液の中であれば濃度で決まるある範囲の中では正負の電荷はつりあっていなければいけません。イオンは動き回ることができますから狭い範囲では揺らぎがあるでしょう。生じたアンバランスが拡大するということはありません。同種の電荷のイオンは反発します。異種の電荷のイオンは引き合います。この力が大きいのです。化学結合の仕組みがいろいろでてきますが元をたどればすべて電気な引力です。

物理の教科書にクーロンの法則が載っていると思います。
１価の正イオンが２つ、１０^(-9)ｍの距離で存在しているときに働く力を出してみるといいでしょう。原子や分子の質量がわかると加速度が出ます。どれくらい大きな量になるかやって見られるといいと思います。
１Ｃの正電荷が２つ、１ｍの距離で存在しているときに働く力はいくらになるかというのは教科書の例題に出てくることが多いです。
そういう状況を実現することは不可能であるとはっきり言うことができるような大きな力であることがわかります。

１Ａの電流が1秒間流れると１Ｃの電気が移動します。
豆電球と乾電池のレベルで出てくる量ですから１Ｃなんてたいした量ではないと思っている人が多いです。
流れる電気量とたまっている電気量との違いです。


１Ｃ

この回答への補足

今回も詳しくご説明いただき本当にありがとうございます。
＋の粒子（または－の粒子）が偏って多く存在していると、電気的斥力のため安定せず、周りに移動可能な－の粒子（または＋の粒子）があればそれらをひきつけ、広い範囲では電気的に中性になるというご説明は理解できます。
しかし、摩擦による静電気の発生では、その物質に＋の粒子（または－の粒子）が偏って多く存在していると考えられます。これと同じことがなぜ電解質水溶液では不可能なのでしょうか。それともこの程度の偏りであれば、電解質水溶液でも可能なのでしょうか。
ご指摘のクーロンの法則を利用し１価の正イオン２つが10^(-9)ｍの距離で存在しているときに働く力は約F＝k・q1・q2/r^2＝(8.99・10^-9)・(1.6・10^-19)・(1.6・10^-19)/(10^-9)・(10^-9)＝約2.3・10^-10Nとなります。これが大きいのか小さいのかわかりませんが、摩擦による静電気の発生では、ある物質が全体として＋（または－）の電気を帯びて存在していることが可能です。そうであればこの程度の斥力であれば、（一定の条件の下では）＋の粒子が偏って存在することが可能なのではないかと考えます。
例えば、次のような推論は誤りなのでしょうか。（私の限られた知識でのまったくの思考実験であり、根本的な誤り等があればご指摘していただければ幸いです。)画像に示したように、強力なコンデンサーの間に塩橋でつながれた二つの容器に塩酸をいれ、電圧をかけた場合、H+は負極板にひきつけられ、Cl-は正極板にひきつけられる。そのため、左の水溶液はCl-が多く存在し、右の容器にはH+が多く存在するようになる。この状態で塩橋をはずし、その後電圧をゼロにする。こうすれば左の容器はCl-の多い水溶液、右の容器はH+の多い水溶液となる。

補足日時：2010/01/29 15:12

この回答へのお礼

すみません。間違って画像を消去してしまいました。
以下にできる限り再現します。

　　　　　　　　　塩橋
　　　　　　　　　＿＿＿
＋｜　　　　　｜　　　　｜　　　　　　｜－
＋｜｜Ｃｌ－　｜｜｜｜　　Ｈ＋｜｜－
＋｜｜Ｃｌ－　｜｜｜｜　　Ｈ＋｜｜－
＋｜｜Ｃｌ－　｜｜｜｜　　Ｈ＋｜｜－
＋｜｜＿＿＿＿｜｜＿＿＿＿｜｜－
＋｜　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜－
コンデンサ　　　　　　　　　　　　コンデンサ　
　正極板　　　　　　　　　　　　　　負極板

お礼日時：2010/01/29 15:56

No.4 回答者： htms42 回答日時： 2010/01/29 21:51

摩擦で生じた電荷は物質の表面にしか分布しません。

物質内部では液体であれ固体であれ電荷はつりあっています。
小さな液体の粒が帯電しているときがあります。これも表面だけです。表面にできるだけ離れて分布します。

＞約2.3・10^-10Nとなります。これが大きいのか小さいのかわかりませんが

加速度を求めるといいと書きました。重力の加速度との比較で力の大きさのイメージがとりやすくなるからです。
２．３×１０^(-10)Ｎをイオンの質量で割れば加速度が出ます。
陽子1つの質量は１．６７×１０^(-27)ｋｇです。
Ｎａの原子量は２３ですからＮａ^+　1つの質量は３．８×１０^(-26)ｋｇです。これで加速度が出ます。重力の加速度ｇ＝１０ｍ／ｓ^2と比べてみてください。
正負のイオンの場合であれば引力です。間に水がなければすぐにくっついてしまいます。

No.2 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2010/01/27 15:33

いえ、ありますよ。

たくさん作ってきました。
帯電した水滴がフワフワと中に浮いている様は面白いです。

No.1 回答者： Tacosan 回答日時： 2010/01/27 13:31

おざなりな答えは「もともと電解質が電気的に中性だから」となるんだろうなぁ. 電気的に中性なものを電気的に中性な水に溶かせば, 得られる水溶液はもちろん電気的に中性.

もうちょっと真面目に答えるなら「電荷の反発により分裂しちゃう」と言えるかも. 実際, ただの水であっても非常に小さくすれば (わずかの) 電荷をもたせることは可能です.