土壌圏物理学 05/09/2012 図2.1 氷の構造水の分子 0.97Å H ●酸素原子 ○水素原子 O 105° H ≈3Å 液体の水の構造イオンの水和イオンの水和半径と結晶半径 Na+ K+ イオン Li+ 結晶半径Å 0.6 0.95 水和半径Å 2.38 1.84 水の性質(特異な流体) 酸性とアルカリ性 (pH) z水の電離 1.33 1.25 1. 高い融点と沸点 H2Sの沸点-60.7℃ 2. 高い融解熱（3.35×10５Jkg-1 = 80 cal g-1）と気化熱（沸点で2.26×10６Jkg-1 = 540 cal g-1，メタノール，エタノールの2倍，アセトン，ベンゼンの10倍） 3. 高い比熱（4185.8Jkg-1K-1= 80 cal g-1，鉄の 10倍，乾いた土の5倍） 4. 高い誘電率ε(水80，メタノール33，空気 1.006) 1 q1q2 F F F= -q +q F 4πε r 2 r H 2 O R H + + OH - z水のイオン積 [H+][OH-]=1×10-14(mol/l)2 z pH=log101/ [H+]= - log10 [H+] 1 土壌圏物理学 05/09/2012 • 課題: 水の持つ特異的な性質をひとつ取り上げ，その理由をできるだけ詳しく説明しなさい。(たとえば，水の密度が4℃で最大になるのはなぜか。) 。表面張力表面張力(表面が縮まろうとする力) 水分子には互いに引き合う力が作用もっとも表面積が小さいのは球形盛りあがるコップの水下方への力力のつりあい水・空気界面では，上方の引力が小さい結果，下方への力が作用表面の水分子には内部に向かう力が働いている。表面では，水分子が互いに引き合い，表面が縮まろうとする力が働く図2.2 水分子に働く力図2.3 界面の液相と気相の圧力界面の水分子に働く正味の力 2 土壌圏物理学 05/09/2012 ぬれ(接触角 γ ) 図5 固体と液体の接触角疎水的(hydrophobic) 親水的(hydrophilic) 濡れるとき(親水的) はじくとき(疎水的) 毛管現象凝集しようとする力とぬれによって水面形が決まるさらに間隔を小さくする p s < pr = 0 毛細管を引き上げると，水は保持される。なぜ水は上昇するか? なぜ水はある高さまでしか上昇しないのか? 親水的(hydrophilic) ps pr 図2.6 毛管上昇凝集しようとする力とぬれによって水面形が決まるさらに間隔を小さくする H= 2σ cos γ ρ w gR γ=0のとき， 0.15 R (cm unit) H= H p s > pr = 0 疎水的(hydrophobic) pr R: 毛管半径 • ps 3 例題2.2, 2.3を参考に上の関係を導きなさい。土壌圏物理学 05/09/2012 毛細管半径と上昇高さ 250 上昇高さ h (m) 200 150 100 根元周３１．３ｍ根元最大直径１１．１ｍ胸高周２５．３ｍ樹高８３．８ｍ枝下３９．６ｍ地上１８ｍの幹直径５．３ｍ最大枝の直径２．１ｍ体積１４８６．６立方ｍ推定樹齢２０００∼２７００年 50 0 0.00001 0.0001 0.001 0.01 毛細管径 r (mm) 0.1 1 10 • の大きさ，界面の形状の3点から説明しなさい。毛管上昇の生じる理由について，接触角，毛管 • 50m以上のセコイアの木が,水を吸水できることについて論じなさい。(毛管上昇だけでは不十分??) • この毛細管を1mで切断したとき，管の先から水 0.01mmの毛細管の上昇高さが1.5mとする。もしがあふれ出るだろうか??もしあふれ出るとすると，永久機関のポンプとなる。矛盾点について論じなさい。 4