しままるの雑記帳

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科学

原子・分子と分子運動

投稿日:2017年4月1日 更新日:

原子と分子の違いや関係を解説

この世界は小さな小さな粒子である原子、分子からできています。原子、分子を知ることは化学の扉を開く第一歩です。
ここでは原子と分子について説明し、ミクロな世界で原子や分子がどんな振る舞いをして、その結果、私たちの目にどのように映っているのかを説明します。

原子

原子を一言で言うならば

「原子」という言葉を調べると「物質を構成する最小単位」というような説明が書いてあります。

これじゃあ、イマイチピンと来ないよ~。。

そうだよな。「物質」という言葉と「最小単位」という言葉をかみ砕いて説明してみるぜ。

物質の意味 最小単位の意味

「物質」と聞くと、何かの危ない化学薬品のようなイメージを持つかもしれませんが、
あなたを取り囲む空気も、その辺の雑草も、お菓子の箱も、あなたが飲む水も
そしてあなたも「物質」です。私たちの身の回りには「物質」であふれています。

次に「最小単位」について説明します。想像もつかないかもしれませんが、
「物質」をずずーっと拡大していくと最終的に粒の集合体に行きつきます。
その粒の大きさは約0.0000001mm(10-10m, 1Å)という非常に非常に小さいものですから
私たちの目では直接見ることはできません。顕微鏡で見ることもできません。
(※例外:走査トンネル顕微鏡)

つまり、私たちの身の回りの物質は小さな粒が集まってできているのです。
そしてその粒はこれ以上分割することができません。「最小単位」なのです。
そしてその「最小単位」こそが「原子」なのです。

え?もう全部物質ってこと?と、いうことは、身の回りにあるものや私たちでさえ、拡大するとみんな粒ってこと?

そう。例えば空気は窒素っていう粒、つまりは窒素原子2つが組み合わさってできたもの(=窒素分子)と酸素原子2つが組み合わさってできたもの(=酸素分子)で出来てるし、
俺らの体だって炭素・水素・酸素・窒素の原子が長くつながった大きな分子(=高分子)で出来ている。
その粒々の組み合わせでいろんな物質ができるんだ。

粒々の組み合わせで色々な物質ができる・・・? あらゆる物質は粒々の組み合わせ・・・?
その粒々っていうのが・・・?

原子なんだ。ほら、もう一回原子の意味を見てみなよ。

物質を構成する最小単位・・・?

そうか!物質と言うのはこの世にある物の全てのもので、それらは全部原子という粒々の組み合わせで、その組み合わせ次第で色々な物質ができる。
だから、原子は物質を構成する最小単位なんだ!

分子

分子を一言で言うならば

「分子」という言葉を調べると「物質の性質を失わないで存在しうる最小の単位」というような説明が書いてあります。一体、どういうことなのでしょうか?

物質の性質ってなんだろう・・・?

「物質の性質」とは

例えば、水素原子2つと酸素原子1つを用意して、酸素原子を中央に配置し、その両脇に水素原子を配置すると分子式「H2O」で表わされる水になります。
サラサラしている、透明、触れると濡れる、0℃で凍る、100℃で沸騰する、凍らせると体積が増えるといったもの水の「性質」です。

そしてその性質って言うのは、水素原子と酸素原子が「H2O」の形になっていて初めて現れるものなんだ。

例えば、H2Oを分解して、HとOにしてしまうと上に書いた性質とは全く違った性質を示します。それはもはや水ではなく、物質の性質を失ってしまっているのです。

だから「H2O」が物質の性質を失わないで存在しうる最小の単位であり、分子なんだ!

化学という学問

物質はたくさんの粒で出来ています。その最小構成単位は原子で、原子を組み合わせて分子ができます。原子の組み合わせ方によっていろいろな分子ができ、分子には様々な性質があります。

「化学」という学問は原子の組み合わせ方(=分子の形)とその性質の関係を熟知し、求める性質を持つ分子を自由に作り上げ、価値を創造する学問なんだぜ。

分子の振る舞い

分子はその状況に応じて様々な振る舞いをします。回転したり振動したり、光を吸収したり放出したり、凝固したり融解したり・・・。ここではそういった分子の振る舞いについて解説します。

分子運動

身の回りの物質は分子の集まりで出来ています。そして、一つ一つの分子は運動をしています。具体的に言えば並進運動回転運動振動運動をしています。これら運動を工業製品でよく使われる「バネ」を例に説明します。

「並進運動」はバネを投げたときにバネの形を保ったまま飛んでいくというイメージ。
「回転運動」はバネがその場でくるくる回るイメージ。バネの中心に棒を差して力を加えてあげると回りますよね。
「振動運動」はバネを押して縮めて放すとボヨヨーンとなるイメージ。バネの運動と聞いて一番最初に思いつくのはこれなんじゃないでしょうか。

これらのイメージを動画にしてみました。

分子運動と熱

私たちの身の回りにある分子はどれも運動しています。(絶対零度の状態を除く)
その運動の激しさを私たちは「熱」と呼びます。熱いとか冷たいというのは分子運動が激しい、穏やかというのと同じ意味を持ちます。

俺らが熱湯に手を突っ込むと火傷するのは、激しい分子運動をしている水によって皮膚(=タンパク質)に変化を起こさせるからなんだ。
「皮膚が変化してしまう」というのはすなわちケガ、火傷。
それとリンクして脳が「痛い」と感じるんだ。

火傷について、そんなに考えたことなかったけど・・・そういうことなんだ~。
(ストークみたいな人って、私たちから見たら何でもないようなものも、こうやって真剣に考えるんだ・・・。こりゃ、変り者になるわけだ・・。)

(でも、子どもみたいでかわいい。そして、何より楽しそう!)

固体・液体・気体

小中学校の理科で物質の三態として「固体、液体、気体」を勉強すると思います。分子式「H2O」の場合は、氷・水・水蒸気ですね。それぞれの状態で分子の運動はどのようになっているでしょう?

固体は分子同士が規則正しく並んでいる状態
液体は分子同士が近くの分子の影響を受けながら自由に動き回る状態
気体は近くの分子の影響を受けずに自由に動き回る状態


左:固体のイメージ(実際にはプルプル振動している) 右:液体のイメージ(実際にはうごめいている)


気体のイメージ(実際には気体分子運動論に従って運動するが、イメージなので完全にランダムに動かしている。)

学校の教室の状態に例えれば
固体はみんなが行儀よく授業を受けている状態
液体は休み時間に人々が自由に歩き回っている状態
気体は放課後になって教室に居残る人もいれば、部活に行く人もいれば、帰る人もいる状態
といった感じだな。

なぁ、これなら固体が固くて、液体がサラサラしてる理由が説明できるだろ?

・・・え?

・・・え?じゃねぇよ。だから、さっき話した粒々がさ、ガッチガチに固まった状態と、それなりに自由に動ける状態とが、それぞれ固体と液体に近いわけだよ。
・・・そうだな。何て喩えたらいいかな?あ、ホラ、角砂糖とスティックシュガーだよ。
角砂糖はさ、粒々がガッチガチに固められた状態だろ?感触は?

固い。

固いな。じゃあ、コーヒーに入れるスティックシュガーとかは?

サラサラしてる。

で?

これって、固体と液体の性質そのもの・・・だね。

そうそう!角砂糖とスティックシュガーがメチャクチャ小さくなった姿が分子の姿そのものなんだ。

沸点・融点と分子運動

じゃあさ、ふつーの温度で水が液体で、窒素が気体なのはなんでなのよ?

それは水の沸点は100℃ですが、窒素の沸点は-196℃だからさ!

・・・ていうのは素人の答えだ。

(結局、なんなのよ?)

融点は固体が液体になる温度、沸点は液体が気体になる温度ですよね。
物質によって融点・沸点は違いますよね。水の沸点は100℃ですが、窒素の沸点は-196℃です。この違いは何でしょうか?

先ほどの言葉を使えば沸点は

「分子同士が近くの分子の影響を受けず、自由に動き回れる状態になるための分子運動の激しさ」

と結論付けることができます。

水は隣の分子の影響を強く受けやすい物質です。ある程度運動できる状態になっても近くの分子となかなか離れようとしません。

それに対し窒素はある程度運動できるようになれば簡単にあっちこっちへ行ってしまいます。

分子って言うのは、常に「お隣さん」の影響を受ける。分子は近くの分子に引き付けられるという特徴があるんだ。

それが、水だと強くて、窒素だと弱いってこと?

そう!その通りだよ!!だいぶわかってきたねぇ~。
その分子同士をひきつける力って言うのは、Van der waals力・水素結合・イオン間相互作用ってあって、
Van der waals力ってのは双極子-双極子相互作用、双極子-誘起双極子相互作用ってのがあって、分子の双極子モーメントが原因になって発生するんだ。
その例え二酸化炭素のような無極性分子でも、双極子の「ゆらぎ」によって他の分子の双極子が誘起されるから若干のVan der waals力があるんだ。
水素結合って言うのは水分子にすごく特徴的な分子間引力で電気陰性度が大きく異なる原子で構成された分子に現れる。
電気陰性度が大きく異なる原子同士が近づくと、電気陰性度の大きい方が疑似的にマイナス、小さい方が疑似的にプラスになって、あたかも電気のマイナスとプラスを近づけたときのような引力を生じる。
これが分子の大きさからして水の沸点が異常に高くて常温で液体である理由なんだ。俺らがこうして生を受けていられるのも水のこういった特異な性質のお陰なんだ。
イオン間相互作用ってのは・・・

・・・・もういい。

(・・・やっちまった。)

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