気体酸素と水素の反応について

酸素と水素による水の生成について質問があります。

気体の酸素と水素を1：2で爆発反応させて水を作る実験が
扱われると思います。この際、残るのは液体の水だと思います。
気体から液体ができるので、急激に体積が減るのではないかと
考えたのですが、爆発の際に一瞬大きく体積が増えるようです。
（まぁ、「爆発」なので・・・＾＾；）

なぜ一瞬体積が増えてから、液体ができるのでしょうか？
反応の際に放出されるエネルギー（熱）があるかと思いますが、
これのせいでしょうか？熱（炎）は体積を持たないかと思っている
のですが・・・。
何かが熱で急激に膨張したのかとも考えましたが、
反応しきるだけの酸素と水素しか封入しないので、
周囲には膨張する空気などは無いかと思います。。

詳しい方おられましたら、よろしくお願いします。
（化学II程度までなら頑張って理解しますｍ）

No.3 ベストアンサー 回答者： swisszh 回答日時： 2010/03/22 08:15

1) 通常、熱力学はequlibrium(平衡状態）での条件で、扱われています。

一定圧力、とか、一定体積とか、一定温度　にして、色々な反応させて、その変化の熱量を学ぶのです。　そうでないと色々な実験ができないし、計測できないのです。　２）　例えば　H2+0.5O2=H2O(gas) で水の生成熱は２５Ｃで
-241.8 KJ/molで多くの発熱があります。無論この反応は、瞬時（ミクロ秒より短い）でしょう。この瞬時を正確に、学ぶのは非常にむつかしく、いまでさえ、その正しい論議はみあたらないかも。　３）通常の熱力学の式 H=U+PV の始め状態と終わりの状態を差し引いたのが、この生成熱になるわけです。　４）反応が平衡状態（例えば２５Ｃ）に戻れば、はじめの１．５mol(H2+0.5O2)が1.0mol水蒸気H2Oを生成します。ですから一定体積では、圧力がさがりますし、一定圧力での実験では、体積が下がることになり、pV=nRT で、計測できます。　５）今まで多くの科学者が、色々な実験をし、発表していますが、ナノ秒とか、ミクロ秒の世界はまだまだ未知の事が多いです。想像でなく、実際の結果をだすのが難しいのです。　６）　いまのあなたは、反応の始めと終わりを考えて、平衡状態にして、かんがえれば良いでしょう。　GOOD LUCK　

No.6 回答者： htms42 回答日時： 2010/03/28 13:42

入試問題などでは密閉容器の中で反応させるという文章を見かけます。

でもこれはあまり現実的なものではありません。
内部にある物質の量が変化しないということを保証する文章でしかないでしょう。
密閉容器の中でこの反応を行うとしたら急激な圧力変化に耐える工夫が必要なのです。

＞爆発の際に一瞬体積が増えるようです。（まぁ「爆発」なので・・・）

急激な体積の増加のない「爆発」はないだろうと思います。爆発は衝撃波を生じるような激しい変化です。
金属と酸の反応で生じた気体が水素であることの確認のために点火して音を聞くという実験が行われます。音がするというのは衝撃波が生じているということです。
試験管のような太さの一様な容器で開口状態でやりますので破裂ということがないのです。フラスコでやれば「木端微塵！」ということになるでしょう。試験管にゴム栓がしてあっても破裂するでしょう。
水素の爆発でもガソリンの爆発でも同じです。
（水素を燃料としたエンジンもつくられているはずです。）
「まぁ・・・」というレベルではありません。

もし密閉容器という条件でやるとすればピストンのような装置がついていて体積が変化するようになっていなければいけないでしょう。
その場合は膨張（断熱膨張）で仕事をしますから温度が下がります。

＃５には「断熱自由膨張で・・・」と書かかれています。
「断熱自由膨張」というのは真空への膨張のことです。
外部に仕事をしない膨張のことです。
理想気体の場合、「断熱自由膨張」では温度変化は生じません。
（実在気体では分子間力に逆らって膨張するという意味で生じる温度変化が存在します。）

No.5 回答者： sewingcough 回答日時： 2010/03/22 23:54

#4です。

kite_badgeさんの補足を読んで気付いたのですが、
自分の説明を読むと、私の説明には誤りがあるようです。
反応により発生したエネルギーが運動エネルギーになった後、
確かに「容器に吸収される」というわけではなさそうです。

だとすると、単純に断熱自由膨張するだけの様に思えます。
これなら膨張が進んである点に達したときに
一瞬で液体になってもおかしくないのではないでしょうか？

No.4 回答者： sewingcough 回答日時： 2010/03/22 22:03

> 熱（炎）は体積を持たないかと思っているのですが・・・。

エネルギー保存則から、反応により発生したエネルギーは
必ずどこか別のところに行って、全体で保存される必要があります。
そのエネルギーは、反応によって生じた水分子の
並進運動（つまり飛び回る運動エネルギー）になります。
つまり、反応して生じた水分子というのは、
元々存在する酸素や水素よりも激しく運動しています。
この「運動の激しさ」というのが、実は体積を決めるのです。
しかし時間が経つと別の分子（容器など）にエネルギーを与え、
自身は運動エネルギーを失います。
このためしばらく経つと室温で液体の水になります。

どちらかというと、高校で習う理論化学というよりも、
物理で説明した方がわかりやすい現象ですね。

この回答への補足

水分子の運動エネルギー（粒子の衝突速度）
が容器内の圧力を産む点は理解できます＾＾
（どちらかというと物理をやっていたので）

運動エネルギーとして吸収されたとすると
「水蒸気の温度が高くなる」＆「水蒸気圧力が増す」
となるかと思うのですが、左の「」について、
高温水蒸気が、水になるのがあまりに一瞬だったので、
こんなに早く温まったりさめたりするものなのかと
疑問に思っての投稿でした＾＾；

補足日時：2010/03/22 22:14

No.2 回答者： ziziwa1130 回答日時： 2010/03/22 07:01

>>気体状態では、1molどうしなら（まぁまぁ）体積は等しくなると

思います。
それは温度と圧力が一定の条件下での話ですよ。気体の状態方程式を見ればお分かりだと思いますが、圧力一定の場合には体積と絶対温度は比例します。爆発の際に水蒸気が高温で膨張したのです。

No.1 回答者： ziziwa1130 回答日時： 2010/03/22 04:53

水素の燃焼でできるのは水蒸気ですよ。

それが反応熱で膨張し、後に冷却されて凝結の結果、液体の水になるのです。

この回答への補足

1molの酸素と2molの水素からできる水は１molだと思います。
気体状態では、1molどうしなら（まぁまぁ）体積は等しくなると
思います。
「３mol」→「1molとエネルギー」　なので、
体積で言えば
「22.4×３」→「22.4（とエネルギー）」かと思ったんですが…？

補足日時：2010/03/22 05:13