UA-119493607-1 大気圧で空き缶つぶし | らくらく理科教室
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アルミ缶を蒸気で満たしておき、逆さにして水面に浸けます。すると、蒸気が一気に凝縮して液体に戻り、缶は外部から力を受けてつぶれてしまいます。手を使わずにできる空き缶つぶしですが、気体→液体への劇的状態変化の観察から、水という化合物について考えます。

「動 画」水の入った空き缶を沸騰させて、逆さにして水に触れさせると、一気にぺしゃんこに!

「動 画」実践記録映像

缶内部と外側の大気圧との差が大きくなり、その差をうめようとして外側からからの力が加わることによります。少し時間をおいてから一気につぶれるなど、缶の形状や強度によって、つぶれ方にもバージョンがあるようです。

実験プリント版

「実験タイトル」大気圧で空き缶つぶし

「サブタイトル」たいした大気圧

「学習項目」  大気圧 蒸気圧 水の極性 水素結合

「準備物」水槽 アルミ缶 るつぼばさみ

「操 作」web非公開

「画 像」水1 mLで体積が約2Lにも膨張するので水は少量で十分。すばやく水面に逆さに立てる感じが良い。缶が冷えてしまうと、蒸気圧が低下してしまい失敗することも。

「画 像」大きな音とともにぺしゃんこになる。腕力ではなかなかこのような形にはならない。長い缶なら横の力、短ければ上下につぶれやすくなるようです。

「注意事項」
1.  素早く上方からフタをするようにすると良い。缶を斜めにしたり、水中に入れすぎると、蒸気が冷えてしまう。
2.  手のひらを上に向けた状態でるつぼばさみを持ち、右手で持つ場合は、あらかじめ左方に水槽を準備しておくとスムーズにいく。
3.  熱湯が手にかからないよう注意。
4.  水は、5 mL程度で十分である。それ以上入れても、蒸気の量には変わりなく、沸騰までの時間を要するだけである。

「解 説」
1.   大気圧で缶がつぶれるとは?:空き缶内部の圧力は、熱せられて沸騰している水分子が内部に一杯になっているので、その水蒸気圧は、大気圧に等しく、1 atm = 760 mmHg = 1.013×10Paと考えられます。しかし、加熱をやめて素早く水槽の水に触れさせると、一気に蒸気圧が低下(20℃で約17 mmHg)するため、外部(大気圧)と缶内部の圧力には大きな差が出てしまいます。結果、空き缶は、外側からの圧力に耐えきれなくなってつぶれてしまうというものです。長めの500 mL缶を使うと側面からの力をまともに受けるので、まるで使い終わった後の、歯磨きチューブのような形になります。一方、小さめの空き缶の場合は、上下からの力を受けて、縦に縮む感じでつぶれるので面白いです。ちなみに、気圧の単位は、atm・ mmHg・Paなど、表し方が異なっているので注意が必要です。

2.  実在の物質だから三態の変化が起こる:理想気体という考え方があります。圧力一定下で、温度を2倍にすれば体積も2倍、温度一定下で、体積を1/2にすれば圧力は2倍に、というようにボイルシャルルの法則とそれを延長した気体の状態方程式が成り立つ理想の気体のことです。しかし、実在の気体は、原子・分子などの粒子自身の体積や質量、粒子間の相互関係が複雑にからんでいて、先述のような法則は厳密には成立しないのです。固体や液体という状態をとるので、もとより「気体」の状態を問うことができない場合も少なくありません。実験では、水の状態変化を劇的な形で取り扱いましたが…

…省略…

3.   水分子は極性分子:水分子は、水素2原子と酸素1原子の共有結合により構成され、2本の価標(-OH)の角度が104.5度で、直角よりやや広い角度で結合しています。水素-酸素間の電気陰性度の差により、共有電子対がやや酸素側に引きつけられるため、分子全体としては、電荷の偏り(極性)が生じるのです。そのため、水分子の間にプラスとマイナス部分で、引き合う力(水素結合)が生じてしまいます。分子間の相互作用は、いわゆる分子間力(ファンデルワールス力)も存在しま…

…省略…

空き缶中の水が蒸気になっている状態(=蒸気圧が大気圧に等しい)にして、すばやく水面にふたをするように水に触れさせると一気に缶がつぶれます。蒸気が水温まで急冷されたためその温度の蒸気圧まで低下するのです。

◇理科教育法:1年物理p188:大気による圧力~つぶれる空き缶

◇参考資料:山田暢司,実験マニア,亜紀書房,2013

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対にしないで下さい。詳細は、次の3書(管理者の単著作物)でも扱っているものがありますので参考になさってください。


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