この実験について
長いガラス管の一端にアンモニア水を染み込ませた脱脂綿を、もう一端に濃塩酸を染み込ませた脱脂綿を詰めます。誰も気体を吹き込んでいないのに、数分後、管の中に塩化アンモニウムの白いリングが現れます。リングは中央にはできません。水素より軽いアンモニア分子のほうが速く動き、同じ時間でより遠くまで拡散するため、塩化水素側に近い位置にできます。実験を行い、気体や管を変えて、リングの位置をグレアムの法則による予測と比べてみましょう。
学習目標
- 拡散を、粒子が高濃度から低濃度へ全体として広がる現象として説明する
- リングが塩化水素側に近い位置にできる理由を説明する
- 気体粒子の速さをモル質量と関連づける
- グラハムの法則を使って、2種類の気体が出会う位置を予測する
- 気体分子は非常に速く動くのに、長距離にわたる拡散が遅い理由を説明する
使い方
- 1デフォルトの実験を開始します。リングはどこに現れますか？両端からの距離を測定してください。
- 2リングができる前の2つの濃度曲線を比較してください。どちらの気体がより遠くまで広がっていますか？
- 3HClをHBrに置き換えます。リングは酸の端に近づきますか、それとも遠ざかりますか？その理由は何ですか？
- 4NH₃をメチルアミンに置き換えます。リングの位置はどのように変わりますか？
- 5管の長さを半分にします。リングが現れるまでの時間はどのように変わりますか？半分になりますか？
- 6リングの位置を、破線で示されたグラハムの法則による予測と比較する。
モデル
前提条件
- 各気体は、管に沿って静止した空気中を拡散します。その拡散係数はモル質量の平方根に反比例し、アンモニアの拡散係数は0.23 cm²/sです。
- 綿栓によって、それぞれの端で濃度が一定に保たれます。2種類の気体は、反応するまで互いの広がりを妨げません。
- 2つの濃度の積が初めて一定のしきい値に達する位置にリングが現れます。実際のリングの位置は、気流や栓の浸し具合によって数センチメートルずれることがあります。
- 管は室温です。表示される時間は実際の時間で、速度ボタンは画面上の時計の進む速さだけを変えます。
授業で試してみましょう
- Q1室温では気体分子は秒速数百メートルで移動します。なぜリングができるまでに数分もかかるのでしょうか？
- Q2モル質量を使って、リングがHCl側に近い位置にできる理由を説明してください。
- Q3NH₃とHClを使って長さ60 cmの管で実験した場合、リングができる位置を予測してください。
- Q4管を温めると、リングができるまでの時間はどう変わりますか？
- Q5この実験をドラフトチャンバー内で行わなければならないのはなぜですか？
よくある質問
シミュレーションでは、なぜグラハムの法則が予測する位置とリングの位置が完全には一致しないのですか？
グラハムの法則は、小さな穴から気体が逃げ出す現象を表します。管の中では、分子は空気中を拡散し、広がる距離は時間の平方根に比例して増加します。両方の気体が反応に十分な濃度になった場所にリングが形成されます。その位置はグラハムの法則による推定に近いものの、完全には一致しません。
実際の実験を安全に行うには、どのように準備すればよいですか？
ドラフトチャンバー内で作業し、ゴーグルと手袋を着用してください。乾いたガラス管の両端に、薬液を染み込ませた脱脂綿をピンセットで同時に入れます。両端を栓で塞ぎ、管を動かさず水平に保ってください。
管が長くなると、なぜこれほど時間がかかるのですか？
拡散距離は時間の平方根に比例して伸びます。2倍の距離に到達するには、気体は約4倍の時間を必要とするため、管の長さを2倍にすると、リングが現れるまでの時間も約4倍になります。