人力検索はてな
モバイル版を表示しています。PC版はこちら
i-mobile

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。

●質問者: 心は萌え
●カテゴリ:科学・統計資料
○ 状態 :終了
└ 回答数 : 4/4件

▽最新の回答へ

1 ● なぽりん
●125ポイント

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。


心は萌えさんのコメント
すみません・・・化学的ではなく 物理学的に 教えてくれるサイトがほしいのです。 つまり 大学物理学を使って 化学の燃焼を 説明している サイトがほしいのです。

心は萌えさんのコメント
500Pじゃむり・・・だとおもいますので どの辺の大学物理を読めばいいかの ガイダンスだけでもいいです。すみません。

なぽりんさんのコメント
追加してみましたが、水素は電子雲としてもs軌道のみであって全く共役などの挙動をしないので、大学での研究対象にならないことが多いです。

なぽりんさんのコメント
あのですね、ファンデルワールス力は「分子間力」であります。となりの銀河との間の距離みたいなものです。 おっしゃることは、すべて「化学結合の種類と組み替え」の範囲内で、高校化学で習う範囲内です。おっしゃる物理のうちミクロ物理は化学に内包されてしまっています。

心は萌えさんのコメント
すみません。専攻科目が違うだけで 理系の大学の修士課程まで卒業しております。

心は萌えさんのコメント
専攻科目が違う学科のやり直しなので・・・すみません。

心は萌えさんのコメント
量子力学から やり直せ(始めろ) ということなのかなぁと ちょっと調べて思っています。

心は萌えさんのコメント
量子力学は 正直良くわかっていない ということは わかっているので。 量子力学から 初めて見たい。 おっしゃられるような シュレディンガー方程式なんだろうな ということは わかりました。 ありがとうございます。

なぽりんさんのコメント
水素の燃焼という古くさい例示がよくないとおもいます。基礎的すぎ、ひろすぎてなにがわからないかこっちもわかりません。「ころんで擦り傷をつくるケガについて最新の医学で」っていわれてハア?ってなったような気持です。

心は萌えさんのコメント
そういう意味ではKの距離を手計算出来ない状態からなので まずは Kの距離を手計算できるようになるところから はじめないといけないと思っています。 わかりやすいページを有難うございました。

心は萌えさんのコメント
いや 水素の燃焼を 量子力学的に説明する というのは 基本だと思うのですが・・・ すみませんが、 国語的な問題は ご了承願えませんか? 国語の使い方は 人それぞれだと思います。

なぽりんさんのコメント
そうですか、こちらこそひどい暗中模索がひどかったですが、「量子力学での」燃焼を知りたかったとそういうご質問だったのですか。カロリー計算も物理だし気体の衝突も運動方程式そのまんまだから物理、すべて物理なんですけどね。

心は萌えさんのコメント
すみません・・・先程まで 量子力学で という単語すらみつからず 量子力学を調べればいいんだよ という情報が 欲しかったのです。 わからないとは そういうことなのです。 お手数をお掛けして 申し訳ございませんでした。

みやどさんのコメント
> 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。 確かに酸素分子は通常は二重結合だとされますが、なぜ簡単に切れるのでしょうか。強固な二重結合ではないのですか、という問題があります。 実は高校で教える酸素分子の電子式は間違いであって本当は酸素分子は特殊です。さすがに一部の教科書では、?を教えるのは良くないということで、水素分子は単結合、窒素分子は三重結合と教えても酸素分子については触れないようになっているのもあるそうです。 教育界に特有のものというのは色々ありますが、現在では検索すると学校で教わったことは間違いだということが簡単に分かってしまいますから、不評を買っています。例えば「kg重」というのはかつて中学校特有の単位でしたが、現在は中学校からも消えています。

なぽりんさんのコメント
三重結合をもつアセチレンも簡単に燃えますが…???? ネットで何をいわれたのかわかりませんが。

なぽりんさんのコメント
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。

心は萌えさんのコメント
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。

質問者から

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。


2 ● みやど
●125ポイント

> 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


心は萌えさんのコメント
すみませんね。お手数をお掛けして 申し訳ない。ありがとうございます。

みやどさんのコメント
こちらで新規に質問しました。 http://q.hatena.ne.jp/1418341500

みやどさんのコメント
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。

3 ● パパトモ
●125ポイント

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


4 ● 田中T
●125ポイント ベストアンサー

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。


心は萌えさんのコメント
えっと1モルでは難しいですが、1立方メートルぐらいになってくると確立が偏らなくなってくるので 計算可能で 結局それって熱化学方程式ですよね。と なんだろう。 熱化学方程式を方程式として捉えるか 確率論として捉えるかで 変わってくるんだろうなぁと うすぼんやり 思っていますが 本来やりたいことは そこではなかったので なんとなくで 満足しています。 ありがとうございました。

田中Tさんのコメント
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。

心は萌えさんのコメント
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。
関連質問

●質問をもっと探す●



0.人力検索はてなトップ
8.このページを友達に紹介
9.このページの先頭へ
対応機種一覧
お問い合わせ
ヘルプ/お知らせ
ログイン
無料ユーザー登録
はてなトップ