<らくらく化学実験_リビングケミストリー>

「実験テーマ」大気圧で空き缶つぶし
「サブテーマ」たいした大気圧
「実験概要」アルミ缶を蒸気で満たしておき、さかさにして水面に浸けると、蒸気が一気に凝縮する。缶は、外部から大気圧を受けてつぶれてしまう。手を使わずにできる空き缶つぶし。
「学習項目」
@  大気圧 A蒸気圧 B水の極性 C水素結合
「実験目的」気体→液体への劇的状態変化の観察から、水という化合物について理解を深める。
「画 像」

1〔mL〕で約1.7Lにも膨張するから、水は少量で十分。すばやく水面に逆さに立てる感じが良い。缶が冷えてしまうと、蒸気圧が低下してしまい、失敗することも。

大きな音とともにぺしゃんこになる。腕力ではなかなかこのような形にはならない。長い缶なら横の力、短ければ上下につぶれやすくなる。缶の形によって、違うというのも新発見!

動 画:水の入った空き缶を沸騰させて、逆さにして水に触れさせると、一気にぺしゃんこに!少し時間をおいてから一気につぶれるなど、つぶれ方にもバージョンがある。


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「準備物」
水槽 アルミ缶 るつぼばさみ 

「操作手順」

 WEB非公開

「注意事項」
1.  素早く上方からフタをするようにすると良い。缶を斜めにしたり、水中に入れすぎると、蒸気が冷えてしまう。
2.  手のひらを上に向けた状態でるつぼばさみを持ち、右手で持つ場合は、あらかじめ左方に水槽を準備しておくとスムーズにいく。
3.  熱湯が手にかからないよう注意。
4.  水は、5mL〕程度で十分である。それ以上入れても、蒸気の量には変わりなく、沸騰までの時間を要するだけである。

「解 説」
1.   大気圧で缶がつぶれるとは?

 空き缶内部の圧力は、熱せられて沸騰している水分子が内部に一杯になっているので、その水蒸気圧(右:蒸気圧曲線)は、大気圧に等しくなる。つまり、1[atm]=760[mmHg]=1.013×105[Pa]と考えて良い。しかし、加熱をやめ、素早く水槽の水に触れさせると、一気に水温の蒸気圧に近づく(20℃で約17[mmHg])ので、外部(大気圧)と缶内部の圧力には大きな差が出てしまう。したがって、空き缶は、外側からの圧力に耐えきれなくなってつぶれてしまうというものである。長めの500mL〕缶を使うと側面からの力をまともに受けるので、まるで使い終わった後の、歯磨きチューブのような形になる。一方、小さめの空き缶の場合は、上下からの力を受けて、縦に縮む感じでつぶれるので面白い。ちなみに、気圧の単位は、〔atm[mmHg][Pa]など、表し方が異なっているので注意が必要である。


2.   実在の物質だから三態の変化が起こる

 理想気体という考え方がある。圧力一定下で、温度を2倍にすれば体積も2倍、温度一定下で、体積を1/2にすれば圧力は2倍に、というようにボイルシャルルの法則とそれを延長した気体の状態方程式が成り立つ理想の気体である。しかし、実在の気体は、原子・分子などの粒子自身の体積や質量、粒子間の相互関係が複雑にからんできて、先述のような法則は厳密には成立しないのである。固体や液体という状態をとるので、もとより「気体」の状態を問うことができない場合も少なくない。実験では、水の状態変化を劇的な形で取り扱ったが、水という物質は、氷−水−水蒸気と、見事に三態の状態をとる物質なのである。

3.   水分子は極性分子

 水分子は、水素2原子と酸素1原子の共有結合により構成されるが、2本の価標(OH)の角度が104.5度であり、直角よりやや広い角度で結合している。水素−酸素間の電気陰性度の差により、共有電子対がやや酸素側に引きつけられるため、分子全体としては、電荷の偏り(極性)が生じるのである。そのため、水分子の間にプラスとマイナス部分で、引き合う力(水素結合)が生じてしまう。分子間の相互作用は、いわゆる分子間力(ファンデルワールス力)も存在するが、特に水の場合は、この水素結合の影響が大きいのである。このため、水が、他の同族水素化合物に比べても、融点、沸点が異常に高いことから、水は特別な物質であるとも言える。


「参考・引用」

「演習問題」

1.      水分子の電子配置を描きなさい。陽子もまとめて描き、共有結合に関わる電子は特に◎で表現すること。  

2.      適語を記入し、右表を参考に、缶がつぶれた理由を考えなさい。

(1)水は(  )性分子であり、分子間で引き合う力が強いために、固体−(  )−

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編集:山田暢司