質問: 上・下方置換法の差 気体の収集法には水上置換法・上方置換法・下方置換法があるのは分かって、その理屈も一応は分かっているつもりです。が、どうしてもひっかかるのは軽い気体(分子量の軽い気体)のほうが拡散が速いという性質との兼ね合いです。上方・下方置換法をどう使い分けるかの説明がよく分かりません。 軽い気体の方が拡散が早いならば、上方置換法を使ってもさっさとどこかに拡散して十分な濃度を得られない気がします。また、重い気体の拡散が遅いのなら、上方置換法を使っても十分な濃度の気体を得られる気がします。 重力との兼ね合い、十分時間がたった状態では気体はほどよく交じり合うという性質との兼ね合いが分かっていないのかも知れません。どなたか説明していただけると非常に嬉しいです。よろしくお願いします。
回答: 気体の分子は頻繁に他の分子との衝突を繰り返しており、その都度方向が変えられます。そのため、まとまって放出された分子(すなわち特定の種類の気体の集まり)の中心付近にあるものは、外方向に進んでいても、途中で他の分子に衝突して、また中心方向に跳ね返されたりします。もちろん時間が経てば、気体の集まりは拡散して行くでしょうが、それにはある程度の時間が必要です。 それに対して、気体の集まりの外の方にある分子は、比較的簡単に、その気体の集まりから離れて行く(拡散する)ことになります。それを繰り返すことによって、気体の集まりは外の方から順に拡散して行き、最終的には中心部分も拡散して行きます。 つまり、ひとかたまりになる性質があるのではなく、ひとかたまりであった気体が拡散するのにはある程度の時間がかかるということです。 圧力の問題に関しては以下のように説明できます。 すなわち、圧力の高い部分というのは分子の密度が高い部分です。したがって、密度の低い部分(圧力の低い部分)と比較して、分子の衝突が頻繁に起こります。したがって、圧力の高い部分から低い部分に飛び出した分子は、次の衝突までの時間(あるいは距離:平均自由行程)が長くなります。すなわち、分子は高圧のかたまりの内側から外側に進む方が、平均として長い距離を進むことになります。これは、高圧であった空間が拡大することを意味します。気体分子の運動速度は極めて速く、分子の衝突も極めて頻繁に起こりますので、圧力が釣り合うのに要する時間はわずかであり、瞬時に圧力が釣り合うことになります。 圧力が釣り合えば、密度の差に従って、密度の大きい部分は下の方に移動します。・・・・この部分がわからないということですよね?正直、私もこの部分がいまいち釈然としません。おそらくは、気体分子も引力の影響を受けるでしょうから、重い分子の方が地球の引力を受けて下に落ちて行くということでしょう。そのため、気体の運動方向は、平均すると下向きに偏ることになります。ただし、下に落ちて行く過程においても、周辺部での拡散は起こっているでしょうし、ひとたび拡散すれば下への落下は起こらなくなるでしょう。なぜなら、気体分子の運動速度は速いので、拡散しようとする力が重力に打ち勝つということです。また、拡散してしまった方が熱力学的に好ましい(エントロピーが大きい)という言い方もできると思います。