ペットボトルが凹む理由

(水の状態変化と二酸化炭素が水に溶ける 水酸化ナトリウム水溶液で二酸化炭素を吸収)

 1 水蒸気の状態変化でペットボトルが凹む。
よく大気圧学習する時に使われる実験で、空き缶に少しの水を入れて温め、ふたをして冷やすと劇的にへこむ現象がある。ここでは加熱をしないでお湯を使う簡単な実験である。気体(水蒸気)の状態変化することによって、ペットボトル内の圧力が減少して大気圧に押されて凹む現象である。ペットボトル内の圧力が減り凹むことがわかれば良いので、ペットボトルは厚みの薄めの物を利用した。生徒実験するなら、お湯は熱湯でないもので良い。ペットボトル内にお湯を入れて、お湯を捨てた後のペットボトル内の気体分子は熱で運動が激しくなるため、体積は膨張している。しかし、温度が下がれば体積は収縮して内圧は下がる。
 
材料 500mlペットボトル お湯入ったビーカー300ml  

@ペットボトルにお湯を半分くらい入れふたを閉める。

A少し振って、お湯を出してまたふたを閉める。

Bへこんでいる様子を見る。

  



2 気体(二酸化炭素)が水に溶けてペットボトルが凹む。
 
  身の回りにある気体の中で、二酸化炭素は水に溶けやすい。二酸化炭素は一部二酸化炭素分子として水の中に含まれる。また、水の中で炭酸、 炭酸イオンや炭酸水素イオンに変化して水に溶ける。ペットボトルの水を振ることによって水に溶けやすくしている。実験ではその溶けやすい性質を利用して、ペットボトルをへこました実験である。メスシリンダーを使い正確に測って、ペットボトルに入れるならば、およそ二酸化炭素がどれだけ水に溶けるかわかる。 二酸化炭素は温度が低い方が良く溶ける。実験では、二酸化炭素は、発泡入浴剤を利用してペットボトルに下方置換で捕集した。できれば、冷たい水と二酸化炭素のボンベがあれば、もっと簡単にできる。

材料 ゴム管付のゴム栓 三角フラスコ ペットボトル 水

@ペットボトルに二酸化炭素を集める。

A水を入れてペットボトルのふたを閉めて、よく水を振る。

  

 
 
3 気体(二酸化炭素)が水酸化ナトリウムに吸収されてペットボトルが凹む。
 
この実験は、水酸化ナトリウム水溶液の二酸化炭素の吸収により、ペットボトル内の二酸化炭素がなくなり凹むものである。二酸化炭素は水に溶けることはわかるがわかるが、ここでは、水に溶けた二酸化炭素は水に溶けている水酸化ナトリウムと反応している。CO2が水に溶け炭酸H2CO3としてできる。そうして、酸(H2CO3)と塩基(NaOH)の中和反応が起こっている。であるから、水酸化ナトリウムの水溶液を振ると、反応熱が発生してペットボトルが熱くなっている。
H2CO3 は水の中で下のように一部電離する
CO2(air)←→CO2(aq)+H2O←→H2CO3←→H++HCO3-←→H++H++CO3--    
これが
NaOH→Na++OH-
と水酸化ナトリウムは電離しているから
H2CO3+2OH-→HCO3-+OH-+H2O→CO3--+2H2O
2Na++CO3--→Na2CO3
CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O
このように、空気中の二酸化炭素が水に溶けてから中和され少なくなるまで反応が続く。

材料 500mlペットボトル。 2mol/L 水酸化ナトリウム水溶液 発泡入浴剤 フラスコ、ガラス管つきゴム栓 100mlビーカー、ピペット

@フラスコに発泡入浴剤を入れ水をいれ、二酸化炭素をペットボトルに集める。(二酸化炭素ボンベならばそのまガスを入れるだけ)
Aペットボトルに10mlの水酸化ナトリウム水溶液を入れて、蓋をして振る。

*2molの50ml水酸化ナトリウムの水溶液は およそ4gの水酸化ナトリウムに50mlになるように水を入れる。

  
 

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