EMANの物理学 過去ログ No.9639 〜

 ● 水は何でできている?

  投稿者:yuya - 2010/06/21(Mon) 09:10  No.9639  <Home>
Twitterで、お子さんから「水は何でできているの?」という質問を受けたお父さんのつぶやきがありました。
そのお父さんは理系のかたなので、ご自身なりの答えをされると思うのですが、
僕自身が個人的に興味を持ちました。

水が物質の名前であることを「知っている」僕は、そもそも「何でできているのか」という疑問が湧かない。でも、コップがガラスでできているように、水が何かでできていると考えても不思議はない。「〜でできている」という説明の「〜」に入る言葉として、たぶん本人を満足させるもの(根源的な材料っぽいもの)と満足させないもの(ただの構成要素っぽいもの)とがあるのだろう。水は化学で言うところの混合物ではないことは、どのようにして証明されたのか。

……などというふうに、いろんなことを考えさせられました。
ぜんぜんまとまってませんが、考えを煮詰めてしまう前に他の人の観点も聞いてみたいです。
よろしければお付き合いください。

  投稿者:EMAN - 2010/06/21(Mon) 20:07  No.9642 
 そういえば、小学生か、幼稚園児だった頃、
すべてのものは原子からできているだとか、
自分たちの体は実はスカスカで、穴だらけだと、
知識では知っていたけれど、まるで納得いかなかったっけなぁ。

 明らかに鉱物と木材は違うものから出来ているように見えるのに、
これらがどちらも同じく「原子」から出来ているだなんて。

 人間が穴だらけっていうのは、この毛穴のことかなぁ、とか。
 じっと見てたら原子間の隙間が見えるんだろうか、とか。

 納得行き始めたのはようやく中学生の頃かな?
 有機物の分子式だとか、細胞壁だとかを習ったころ。

  投稿者:凡人 - 2010/06/21(Mon) 21:30  No.9644 
yuyaさん
>よろしければお付き合いください。
超知ったかぶりなので、誤っている可能性大で済みませんが、こんなのは如何でしょうか?
「水の分子(H2O)は、ビッグバンの数万年後に生成・出現した水素分子(H2)と超新星爆発時の核融合反応によって生成された酸素分子(O2)が、化学反応を起こして(H2×2+O2→H2O×2)出来ているんだよ。」←(超誤りを訂正しました。)
「われわれ人間は、このようにして出来た水の分子が液体状態になった物質を水と呼んでいるんだよ。」
「それと、一般的には、宇宙の時空構造や真空構造はビッグバン時に確定したと考えられているんだよ。」
「また、世の中には、ビッグバン時のエンタングルメントステートが何らかの形で未だに継続しているのではないかと考えている人もいるんだよ。」
「この様に考えて、宇宙のインフレーションの存在を仮定せずに宇宙の平坦性問題を解決出来るのではないかと考えている人もいるんだよ。」
「宇宙って凄く面白いだろ。」

  投稿者:EMAN - 2010/06/22(Tue) 01:36  No.9651 
> 超知ったかぶりなので、誤っている可能性大で済みませんが、

 なんだい、てっきり、
「知ったかぶり」ぶりをうまく表現したのかと思った。
 だとしたら面白いが、残念ながらここで書くのは場違いだよなぁ、
と思ってたら、それ、素で書いてるのかい。

  投稿者:yuya - 2010/06/22(Tue) 01:52  No.9652  <Home>
EMANさん、凡人さん、コメントありがとうございます。

EMANさん:

私の場合は固体に対して
「隙間があったら水がしみ込んで通り抜けてしまうはずだろう」
と疑問に思ってました。
うーん、この自分の過去の疑問に対しても自信を持って答えられないなぁ。
どなたか教えてください(^^;)

最近、自分が「知ってるだけ」のことが多いなぁ、と痛感します。

凡人さん:

>「水の分子は、ビッグバンの数万年後に生成・出現した水素分子と、超新星爆発時の核融合反応によって生成された酸素分子が、分子間力で結合して出来ているんだよ。」

確かに、実際の子供との対話においても、分子の話題に行き着くのはそう遠くない話のような気がします。
ところで「水は水素分子と酸素分子が分子間力で結合して出来ている」というのは本当ですか?

  投稿者:EMAN - 2010/06/22(Tue) 02:19  No.9653 
> 私の場合は固体に対して
>「隙間があったら水がしみ込んで通り抜けてしまうはずだろう」
> と疑問に思ってました。

 例えば、水素くらい小さければ、
色んな金属中に染み込んで、徐々に深くまで潜り込みますよね。
 ボコボコに膨れ上がってひび割れたりします。
 金属が、水素に対しては、まさにスポンジ状態。

 縁日で買ったヘリウム風船なんか、翌日まで持ちませんし。

 水分子は大きいから染みこまないというのはひとつの答えかも。

 昔、「欽ドン」で読まれてたハガキのネタがすごく印象に残ってます。
(良い子の日記、悪い子の日記、普通の子の日記っていう、
ありえない日記を創作投稿するコーナーのやつ。)

 『お母さんが桶を買ってきたら、水が漏れるので、
次の日に店に文句を言いにいったら、
「お宅の水はキメが細かいんでしょう」と言われた』

というやつ。 当時、すごく感心したんだよねー。

  投稿者:yuya - 2010/06/22(Tue) 08:24  No.9655  <Home>
EMANさん、好例を挙げていただきありがとうございます。
http://chemeng.on.coocan.jp/ice/pche08.html
ここを読んでハッとしたのですが、
風船のしぼむ速さは、ゴム膜を通る際の「透過係数」(値が大きいほど通りやすい)だけでなく、
その気体の風船内外の圧力較差に比例するんですね。
で、風船内の圧力が大気圧(101.3hPa)の1割増しくらいだとすると、
空気風船の分圧較差が10hPa程度なのに対して、
ヘリウム風船の場合は【外圧がゼロなので】110hPaくらいの較差がまるごと生じることになり、
空気に比べて10倍くらい激しい較差になる。

ヘリウム風船は空気風船の約30倍(初速)でしぼむそうですが、
このうち透過係数の寄与が約3倍、分圧較差の違いの寄与が約10倍だそうです。

いずれにせよ、ヘリウムが空気に比べて「小さい」ことによって
風船を通過しやすくなっている事実には変わりないですね。

脱線したので話を戻すと、「見えないほど小さい隙間」というものを日常生活で実感するためには、
隙間よりもっと小さいものが通り抜けていくのを観察するのが一番分かりやすい。
できれば、「大きいものは通れないけれど、小さいものは通れる」とか、
「大きいものよりも小さいもののほうがより速く通れる」といった比較対象があるともっと説得力がある。

その意味で、「水素を吸って膨隆する金属」(※見てみたい!)とか
「縁日の風船」(※ヨーヨーでもいい)は絶好の具体例ですね。

さて、元のお子さんの質問への回答にどう繋ぐか……。

  投稿者:ASA - 2010/06/22(Tue) 12:08  No.9658 
yuyaさん
 御紹介の資料を読みました。

"何からできてるの?"という元のお題からそれますけど。

>ヘリウムが空気に比べて「小さい」ことによって
 この「小さい」が、新たな問題になりませんか?
透過係数
>>水素 1.4
>>ヘリウム 1.0
は、原子量と反比例しているのですが
>>酸素 0.8
>>窒素 0.3
 16の酸素が14の窒素より透過しやすいのが解せません。

より極端例なのはCO2ですよね。
>>CO2 5.1

 現代物理の知見によると、原子そのものの大きさは、原子が違ってもそれほど代りません(基底状態の最外郭電子密度が最大となる距離を原子の「大きさ」を表わすものとする)。
 ゴム膜を網目と捉えること自体が、おかしいような気がしますね。

話を戻すと
 自然認識の歴史的過程から説明した方が良い気がします。
 参考 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9B%9B%E5%A4%A7%E5%85%83%E7%B4%A0
 タレスよれば、万物の根源たる「アルケー」(元素)は《水》ですね。
 普通の水は、《水》の純化した表れということでしょうから、普通の水は、《水》からできているということになると思います(形而下と形而上を粗雑に結びつけた説明かも)。

  投稿者:yuya - 2010/06/22(Tue) 15:48  No.9660  <Home>
ASAさん、ご指摘ありがとうございます。

>>ヘリウムが空気に比べて「小さい」ことによって
> この「小さい」が、新たな問題になりませんか?

そうなんですよねー。その後ろめたさから、カギ括弧を付けたわけです。
いろいろ複雑なファクターが透過係数という1つの値に押し込められていて、
学べば学ぶほど「単なる『サイズ』の問題なんかじゃない」ことが分かるのでしょうね。

>自然認識の歴史的過程から説明した方が良い気がします。
 
なるほど。いきなり「水」から入るのではなくて、
例えば「コップはガラスでできている」というのが納得できるなら、
「じゃあ、ガラスは何でできているのか?」と問いかけてみて、
子供自身が「AはAでできている(としか言いようがない)」
と思うような事例を探してみるのも良いかもしれませんね。

  投稿者:凡人 - 2010/06/22(Tue) 21:02  No.9661 
yuyaさん、EMANさん、皆さん
知ったかぶりによる超間違いを直しましたので、大変申し訳ございませんが、右端の「返信」ボタンを押して、No.9644を確認して頂けますと助かります。

  投稿者:ASA - 2010/06/22(Tue) 22:39  No.9667 
yuya さん
 子供さんが、ガラスとか水とか空気とか、一般的に原材料となるものが、何故、複合物やら構成物だと思ったのか。
逆に、そこらへんが気になりますね。

  投稿者:yuya - 2010/06/23(Wed) 11:02  No.9678  <Home>
凡人さん:

>「水の分子(H2O)は、ビッグバンの数万年後に生成・出現した水素分子(H2)と
>超新星爆発時の核融合反応によって生成された酸素分子(O2)が、化学反応を
>起こして(H2×2+O2→H2O×2)出来ているんだよ。」←(超誤りを訂正しました。)

水素分子・酸素分子が宇宙でどうやってできたか、私はよく知らないのですが、
これらが化学反応を起こして水が出来る、というのは、私も同じように習いました。
習いはしたんですが、実際に水素分子を燃やして水が出来たところは一度も見たことがありません(汗)。

ASAさん:

>子供さんが、ガラスとか水とか空気とか、一般的に原材料となるものが、何故、複合物やら構成物だと思ったのか。

たしかに、これを探ってからでないと、一足飛びに原子の話に行くのはあんまり面白くないかもしれませんね
(赤ん坊に手品を見せてキョトンとされるような)。

「コップがガラスで出来ている」と「水は酸素原子と水素原子で出来ている」とは階層が違うので、
まず純物質のレベルで不可分割性をしみつかせてから、「実はさらに基本要素がある」と演出したい(笑)。

この段階で、凡人さんの書き込みに出てくる「水は他の物質から作ることもできる」という話が効果的になるかも知れません。
でも、前述のように水が作られるところを見たことがないのが後ろめたい。
だいたい、(まとまった形で)水素気体を触ったことも無いなぁ。

ASAさんの指摘に話を戻して、そのお子さんは水が「ぐにゃぐにゃしている」ことが不思議で、
何で出来ているのか?と疑問に思ったようです。
温度によってぐにゃぐにゃしたりしなかったりすることにも興味を持っているようです。

  投稿者:明男 - 2010/06/23(Wed) 12:29  No.9679 
自分が理解してきた過程を振り返ると、年齢に応じた理解を進歩させてきたように思える。最初は水は『水』という物質であり、他の存在(物質)とは異なる独自のものであった。それが細かく分けて行くとあるところで水では無くなるという記述を本で読み、その最小単位を分子ということを知った。勿論、人力では実行できないことであるが、思考実験の始まりである。すべての物質は分子からできている、というのが初めの理解であった。

子供の質問に答えるとしたら、年齢に応じた説明が望ましいと思う。この質問をした子供が小学校低学年以上なら、分子の説明、原子の説明、それが酸素原子と水素原子から出来ていることを理解させることは自分の経験から言っても可能だと思う。実際の実験も簡単である。電気分解で作り、爆鳴実験で化合するさまを実際に見せることもできる。私は小学校高学年のとき、自分で確かめた。当時の雑誌『科学』の付録で簡単にできた。理系の人なら家庭にあるもので代用できるだろう。
このとき大人は厳密な定義(化合物と複合物など)より、簡略でもその根本の仕組み、そして出来れば上記のように実際の現象を見せることが望ましいと思う。そして、知識としては、『水』の性質の不思議さ(比熱、溶解度、体積変化など)、宇宙における普遍性と生命の関連、その特異性がおこる理由などを例を交えて説明できれば尚良いと思う。しかし、この最後の科学的啓蒙こそ、教える側の相当の知識と力量が問われることであり、自分の理解度が試される試金石であることを知るだろう。そして、それ(自分の理解)が恥ずかしほど薄っぺらであったことに気づくのだが、それは蛇足というものであるw。

  投稿者:yuya - 2010/06/24(Thu) 08:55  No.9688  <Home>
明男さん:

おっしゃるように可能な限り実演して見せたいですよね。

電気分解や爆鳴気実験って、家でもできるんですか!?
ちょっと調べてみます。私はものすごく臆病な性格なので、
「テキトーにやると危ない」というイメージが強くて。
(いや、間違ってはいないのでしょうけど。)

羽貫さん:

確かにすごいと思います。「ぐにゃぐにゃしている」ことと
「何かで出来ている」ということとの間にも子供なりの思考過程があったはずで、
そこをぜひ聞いてみたいですね。