液体の上部にある分子は、バルク内の分子よりも分子間引力が小さいため、水は室温で蒸発します。最上層が日光にさらされると、一部の分子は大気中に逃げるのに十分な運動エネルギーを獲得します。湿度は、水の蒸発のしやすさにも影響します。空気がすでに水蒸気で飽和している場合、蒸発は停止します。
私たちは学校で、水が沸騰すると液体から蒸気に相変化すると教えられてきました。この変化を引き起こすには、沸点と呼ばれる高温が必要です。水の場合、このポイントは 100oC です。ただし、雨が降ると、空が晴れた後、特に太陽が出たときに水たまりが蒸発することを思い出してください。蒸発では、水の相も液体から蒸気に変化し、これは 100oC にほど遠い温度で起こります。
では…どうしてこうなった？
その答えは、水分子の物理的および化学的性質と、それらの分子間に形成される結合 (分子間結合) にあります。
水分子の化学的性質
水分子は、1 つの酸素原子に結合した 2 つの水素原子で構成されています。 O原子とH原子の間の結合は、電子の共有によって形成されます。これらの結合は共有結合と呼ばれます。すべての元素は、最も近い希ガス配置に到達するために電子を失ったり獲得したりすることによって、エネルギー的に最も低い状態 (つまり、最も安定した状態) に到達する傾向があります。
酸素は最外殻に 6 個の電子を含み、オクテットを完成して希ガス ネオンの構成に入るには 2 個の電子が必要です。水素は最外殻に1個の電子を持っており、1個の電子を獲得することで、希ガスのヘリウムの配置を得ることができます。したがって、1 つの酸素原子は 2 つの電子を共有し、2 つの水素原子はそれぞれ 1 つの電子を共有して、1 つの水分子、つまり H2O を形成します。
水分子は、酸素原子上の電子のためにわずかに曲がった形をしています。これは分子間水素結合に寄与します。
酸素は、それ自体に向かって電子を引き寄せる傾向が高いです。この特性は電気陰性度と呼ばれます .電気陰性度が高いため、電子は O の近くでより多くの時間を過ごし、部分的な負の電荷が O で発生します。同様に、部分的な正の電荷が H で発生します。水分子の形状は、正の分離があるようなものです (2 つの H原子) および負電荷 (O で)。
2 つの水分子が互いに近くにある場合、一方の分子の部分的に負の O は、他方の分子の部分的に正の H 原子を引き付ける傾向があり、水素結合と呼ばれる弱い結合が生じます。この結合は、2 つの異なる分子間に存在します (分子間結合)。 水素結合は弱いため、それを破壊するのに必要なエネルギーは少なくて済みます。 これが、水が室温で液体のままである理由です。
温度と分子エネルギー
温度は、分子が持つ平均運動エネルギーの尺度です。温度が高いほど、平均エネルギーが大きくなり、分子が分子間引力に打ち勝って自由に動きやすくなります。液体が相を蒸気に変えるには、2 つの力を克服する必要があります。
温度を上げると、一定の圧力で分子のエネルギーが増加し、気相に近づきます。 (写真提供:udaix/Shutterstock)
1 つ目は、凝集力と呼ばれる近くの分子からの分子間引力です。 2 つ目は、大気による下向きの圧力です。液体が蒸気に相変化するとき、その分子はすべての分子間力に打ち勝ち、周囲の大気によって加えられる下向きの圧力にも打ち勝つのに十分な運動エネルギーを獲得しています。
湿度
大気中に存在する水蒸気の量を湿度と呼びます。任意の温度で、大気は一定量の水蒸気しか保持できません。気温が高いほど、大気中に存在する水蒸気の量が多くなります。大気中の水蒸気濃度には上限があり、それを超えると水蒸気を保持することができません。
室温での蒸発
テーブルの上に水が薄く広げられているとします。分子が層状に並んでいます。最上層の分子は、底部と側面からのみ分子間引力を受けますが、液体バルク内の分子はあらゆる方向から分子間引力を受けます。したがって、上部の分子は、バルク内の分子よりも正味の分子間力が少なくなります。これらの分子間力 (水素結合) は弱いため、最上層が日光にさらされると、一部の分子は室温で大気中に逃げるのに十分な運動エネルギーを獲得します。
蒸発では、沸騰とは異なり、表面の一部の分子だけが気相に入るのに十分なエネルギーを持っています。 (写真提供:VectorMine/Shutterstock)
また、湿度が低いほど、液体は蒸発しやすくなります。蒸発が続くと、大気中の水蒸気の濃度が増加します。臨界値を超えると、大気に水蒸気を保持できなくなります。これを飽和状態と呼びます。飽和状態に達していない場合は、蒸発が続行されます。
このように、湿度と高分子エネルギーの組み合わせにより、表面の一部の分子は低温でも蒸発することができます!
