水素が燃焼する 熱方程式があるとおもいますが なぜ水素は燃焼するんですか?なるべく詳しく 物理学的に教えてください。


もしくは そういうサイトをお願いします。
なるべく詳しく知りたいので あんまり大した額ではないのですが500P付けました。

回答の条件
  • 1人1回まで
  • 登録:2014/12/09 09:53:10
  • 終了:2014/12/16 09:55:03

ベストアンサー

id:t-tanaka No.4

田中T回答回数7ベストアンサー獲得回数12014/12/15 12:50:45

ポイント125pt

シュレディンガー方程式を時間に依存しない形で,つまり定常状態について記述することは,ある程度の複雑さまでできています。反応前の水素分子や酸素分子,反応後の水分子について記述して,その結合エネルギーを求めたりすることは可能です。

しかし,化学反応そのものをシュレディンガー方程式で記述するには,もとの時間発展を含んだ形で記述する必要があります。これを酸素一分子と水素二分子について計算するのは,現在の環境でも計算量の観点から現実的ではありません。

化学反応の遷移状態は現在も物理的には未解明の部分が多いです。様々なアプローチで「反応途中の中間状態」を探る研究がおこなわれています。

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id:t-tanaka

はい。気体中で分子と分子がどのくらいの確率で衝突するかは計算できます。また,衝突した時にどのくらいの確率で反応するかは実験的に知られていて,そこから反応の進行を計算することはできます。

が,ある分子とある分子が衝突した時に,どのくらいの確率で反応するか,というのは現在は物理的な計算では出せていません。経験的にどの分子が反応しやすいかとか,どの組み合わせでどういう反応が起こるか,というのは広く知られていますが,あくまで化学的に知られているだけであって,物理的な裏付けがはっきりとあるわけではありません(せいぜいが定常的なシュレディンガー方程式のHOMO/LUMOからの推測ができる程度です)。

なので,「化学反応を物理的に」というと,「よくわかっていません」というのがお答えになります。「実際に化学反応がおこるところを見る」というのは,多くの化学者にとっての夢の一つです。

2014/12/15 13:27:12
id:kokorohamoe

ベストアンサーに させていただきました。
確率論的アプローチをおいておくと
シュレディンガー方程式を時間に依存しない形で表記することは あまり意味が無いと思いますので
スパコンを使う方向性かなと個人的には思っております。

2014/12/16 13:10:41

その他の回答(3件)

id:NAPORIN No.1

なぽりん回答回数4697ベストアンサー獲得回数8612014/12/09 14:03:30

ポイント125pt

水素の燃焼
 
ごく簡単にいうと、燃焼していない水素分子と酸素分子がある状態より、燃焼して水分子を生じた状態のほうがエネルギーを吐き出してしまって安定だからです。
水素分子が燃えるには、酸素分子と、きっかけになる火(高温)が必要です。

燃焼熱の表
水素は、可燃物のなかでもかなりエネルギーを多くかかえこんでいます(グラム当りで比較した場合)。
家庭用のコンロと同じくらいといっても過言ではありません。
 
水素ガスをつくる水素は、元素のなかで最も軽いものですが、燃焼時には一人前の働きをしますので、
つまり、同じ重量でくらべればプロパンガスの3倍近くの熱を出すということになります。
体積当りだと、こんどはプロパンガスのほうが、10倍もの熱を出すのですが。
 
中学校理科 第1分野/化学変化と原子・分子 - Wikibooks

燃焼という反応は、もっと広くいうと酸化反応です。
爆薬は酸化剤を加えていますが、
燃焼は空気中の酸素があれば進むものです。
また、酸化反応は、化学反応の一種です。
化学反応は、分子(原子が結合でつながったもの)が複数くみあわされ、結合が切れたり、また新しい結合ができたりします。そのくみあわさり方はすでにすべて解明されています。
結合一つ一つのエネルギーの量がすでに算出されています。
 
水素が燃えると、水素ー水素単結合が切れます。酸素=酸素二重結合も切れます。そして水素-酸素単結合が2つ出来ます。
水素-酸素単結合2つのエネルギーは、原料となる結合よりエネルギーを必要とせず、かつ結合強度は強固です。
その組み替え作業を燃焼と呼びます。

D

可燃ガスは一瞬で燃えるので少量でも爆発と呼びます。
 
通常、これらは中学校理科~高校化学の範囲の知識であり、「水素の燃焼を物理学的に詳しく」となるとどの程度を求められているのかちょっとわかりませんがこのくらいでよろしいでしょうか。

==========

大学知識ということですので
国立科学博物館で学ぶ物理学 シュレーディンガー方程式/原子の電子雲
シュレーディンガー方程式をもちいて電子雲の算出をします、完成品の水の軌道を算出しています。
が、水素の燃焼自体はホントに大学入試以下の基礎の基礎の基礎レベルですから
あらためて大学で教えるはずがないんです。
これ以外で、どういった観点から大学レベルの課題をみいだされようとしているのですか?

=========
だいぶムキになってまいりましたが^^
第34章 生成熱と結合エネルギー
=========
もしかして…?
さらにこの広い宇宙でどうやって酸素分子と水素分子が出会うかということについては
気体分子運動論 - Wikipedia
で解明されています。気体の衝突=温度ですから、常温では十分ぶつかりあっていますが、さらに高温(着火)で衝突エネルギーが閾値を超え、燃焼ガス中の酸素プラズマの発生などにより反応が持続します。

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id:NAPORIN

あとMIYADOさん、ご自身でなにか質問を尋ねたいのなら別の質問をたててください。心は萌えさんにも迷惑です。

2014/12/09 16:39:32
id:kokorohamoe

あはは よくわかりませんが。仲良くしてください。 すみません、いさかいはつかれてしまうので 仲良くお願いします。  
MIYADOさん コメントありがとうございました。ここは なぽりんさんのスペースです。
なにかありましたら 新しく 回答なさってください。すみません。
ポイントは 配分されてしまいますが 500Pで 争わないでください。すいません。

2014/12/09 16:57:50
id:kokorohamoe

すみません。 説明が足りなかったようなので ファンデルワールス力 というか 原子が電子を引く力 というか 

水素が燃焼するまでの 物理的な力の変遷を 原子・電子 分子間結合力を すべて 数式で 段階を追って 丁寧に 説明してくれる

化学的な燃焼 ではなく 物理学的な 原子と電子の世界を 説明してくれる 大学物理以上の 世界を 希望しています。

それを500Pじゃむり・・・だとおもいますので ガイダンスだけでもいいです。すみません。

id:MIYADO No.2

みやど回答回数366ベストアンサー獲得回数762014/12/09 17:33:25

ポイント125pt

> なにかありましたら 新しく 回答なさってください。すみません。

なら、上に書かないでこちらに書きます。

↓あたりの構造式を見てみましょう。高校化学の常識を覆されると思います。
http://maruhogenkinotane.cocolog-nifty.com/blog/2010/12/1163-2848-1.html

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id:MIYADO

こちらで新規に質問しました。
http://q.hatena.ne.jp/1418341500

2014/12/12 08:54:29
id:MIYADO

私が立てた質問に回答が付かないので、終了直前にポイントゲッター除けにキャンセルしたら、質問自体が消えてしまいました。

なお、私が上で参照したサイトは余り適切ではありませんが、「酸素分子 電子式」で検索すれば色々あります。例えば、

http://www.scc.kyushu-u.ac.jp/Facio/Suppli/H21Suenaga_1.pdf
酸素分子を「ルイス構造が実際の分子と異なる例」「酸素は、高校の教科書には、不対電子の無い構造で載っている。扱っていない教科書もある。」

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0030/part4/chap02/com2_5_1.html
高校式だと磁性が説明できない等の問題

http://www.tuat.ac.jp/~sigehara/kougijouhou/2013_yuuki2/oxygen_20131024.pdf
高校式は不正確とし、「酸素分子は常磁性で不対電子(radical)を持つ」と書いてある。ただし、「形式的」と断ってはいるものの三重結合と見ている点が、多くの文献と異なる。

http://plaza.harmonix.ne.jp/~lifeplus/pict/radical.html
電子式は書いていないが、「酸素の場合はちょっと特異な性質があり」と断ってあり、「酸素の場合、不対電子は2個ある」と図中にある。高校式は迷惑メール扱い。

http://www.hiroshima-u.ac.jp/gsbs/kenkyu_syokai/masaoka
通常の酸素に不対電子が2つ。
「一重項酸素」は一方に偏っている。
高校式は迷惑メール扱い。

http://blogs.yahoo.co.jp/nobu02100210/3199706.html
通常の酸素に不対電子が2つ。
ただし「一重項酸素」に高校式が書いてあるのは間違いと思われる。

http://www2.yamamura.ac.jp/chemistry/chapter1/lecture9/lect1092.html
http://www.art-kobo.co.jp/web_zuhan_kobo/html/products/detail.php?product_id=14789
http://www.water.sannet.ne.jp/masasuma/masa/p2-1.htm
高校生向け。高校式が書いてある。

http://www.rainbow-chaser.info/?page_id=244
高校生向けだが、酸素分子は触れないである。

http://www.geocities.jp/don_guri131/02ketugoukessyou.html
高校生向けだが、酸素分子の構造式はO=Oとなっているが電子式には触れないである。

http://mikecat.org/zome/molecule.html
「酸素原子の原子価(平たく言えば結合の手の数)は2であるから(だから酸素分子の構造式はO=Oとなると【一応】説明される)」(強調のために【】で括ったのは引用者)と書いてある。電子式は書いていない。

2015/01/12 11:37:50
id:papa-tomo No.3

パパトモ回答回数362ベストアンサー獲得回数1072014/12/12 14:44:01

ポイント125pt

的を外しているかもしれませんが、ネルンストの式を酸化還元に当てはめれば説明できそうな気がしますが・・・

というわけで、ちょっと調べただけですが、こんなのは↓どうでしょうか?

http://www.f-denshi.com/000TokiwaJPN/35chmth/b02elchm.html

id:t-tanaka No.4

田中T回答回数7ベストアンサー獲得回数12014/12/15 12:50:45ここでベストアンサー

ポイント125pt

シュレディンガー方程式を時間に依存しない形で,つまり定常状態について記述することは,ある程度の複雑さまでできています。反応前の水素分子や酸素分子,反応後の水分子について記述して,その結合エネルギーを求めたりすることは可能です。

しかし,化学反応そのものをシュレディンガー方程式で記述するには,もとの時間発展を含んだ形で記述する必要があります。これを酸素一分子と水素二分子について計算するのは,現在の環境でも計算量の観点から現実的ではありません。

化学反応の遷移状態は現在も物理的には未解明の部分が多いです。様々なアプローチで「反応途中の中間状態」を探る研究がおこなわれています。

他1件のコメントを見る
id:t-tanaka

はい。気体中で分子と分子がどのくらいの確率で衝突するかは計算できます。また,衝突した時にどのくらいの確率で反応するかは実験的に知られていて,そこから反応の進行を計算することはできます。

が,ある分子とある分子が衝突した時に,どのくらいの確率で反応するか,というのは現在は物理的な計算では出せていません。経験的にどの分子が反応しやすいかとか,どの組み合わせでどういう反応が起こるか,というのは広く知られていますが,あくまで化学的に知られているだけであって,物理的な裏付けがはっきりとあるわけではありません(せいぜいが定常的なシュレディンガー方程式のHOMO/LUMOからの推測ができる程度です)。

なので,「化学反応を物理的に」というと,「よくわかっていません」というのがお答えになります。「実際に化学反応がおこるところを見る」というのは,多くの化学者にとっての夢の一つです。

2014/12/15 13:27:12
id:kokorohamoe

ベストアンサーに させていただきました。
確率論的アプローチをおいておくと
シュレディンガー方程式を時間に依存しない形で表記することは あまり意味が無いと思いますので
スパコンを使う方向性かなと個人的には思っております。

2014/12/16 13:10:41

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