学問・資格

2011年5月30日 (月)

ブラウン運動 雑感

書籍を読んでいたらブラウン運動という言葉が出ていたので、ちょっと思いつくまま。

気体や液体中に微細粒子を浮遊させると、不規則な運動をするのが観察されます。

微細粒子とはコロイド粒子くらいのサイズ(0.1ミクロン以下)です。

ブラウン運動の原因

気体分子や液体分子はランダムに運動をしており、温度が高いほど運動は激しくなります。

コロイド粒子くらい小さな粒子になると、無秩序に運動している分子の衝突により、あっちこっちにフラフラと不規則運動するのが観察されます。

最初に発見したのは、ブラウンさんで1800年代初めの頃のことです。

彼は花粉を水に浮かべ顕微鏡で観察していて、偶然花粉中の微細細胞粒子が不規則に運動するのを見つけましたが、

その機構は長らく不明のままでした。

ブラウン運動の原理機構を明らかにしたのは、かのアインシュタインです。

ブラウン運動の身近な例としては、

牛乳中のコロイドタンパク質や空気中のタバコの煙などがあります。

余談ですが、気体の圧力は、気体分子の熱運動による衝突の総和の結果であります。

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2011年5月 8日 (日)

X線

X線は電磁波の一種です。

電磁波で波長の長いものは、

赤外線 650nm以上

以下順に、

可視光線 400~650nm

紫外線 200~400nm

真空紫外線 10 ~200nm

X線 0.01~数十nm

γ線 0.01nm以下

の順に短くなります。

nmは1mの10のマイナス9乗です。

波長が短くなるほど一個の粒子の光子エネルギーが高くなり、

E=hν

X線では、0.1~100keVの範囲となる。

物質にX線を照射すると、透過、吸収、散乱される。

Photo

レントゲン撮影は、体内の透過率が異なることを利用しているが、吸収されたX線は、遺伝子情報を傷つけるので、被曝量に注意する必要がある。

科学的にはX線照射によって、様々な情報を得ることが出来るので、構造解析、化学分析、表面解析などに利用される。

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2011年4月22日 (金)

フット・イン・ザ・ドア・テクニック

フット・イン・ザ・ドア・テクニック もともとは、セールスマンや新聞の勧誘員が、少し開いたドアの隙間に足をつっこんで締められなくする手法です。

ビジネス交渉において、最初は小さな条件を提示して突破口を開き、徐々に大きな譲歩を引き出すテクニックを、フット・イン・ザ・ドア・テクニックといいます。

詐欺でも多用されますので、十分ご注意下さい。

変だと気づいたら、その時点でキッパリ拒否する勇気を持ちましょう。

小生なんか、ドアへ足つっこんできたら、思いっきり踏んづけますけどさ cat

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2011年4月21日 (木)

溶液からの結晶析出

核発生・・・過飽和溶液の揺らぎからクラスターが統計確率的に生成して、臨界核半径以上になると固体として析出する。

過飽和度が高いときや溶解度が低い物質の場合、核の発生数は多い。

核成長・・・発生した核結晶は、低過飽和度の環境下で結晶成長する。

難溶性の結晶の場合、核発生と結晶成長は並発的に進行する。

オストワルト・ライプニング・・・高過飽和度段階で生成した微細結晶は、引き続く低過飽和度では不安定で再溶解する。低過飽和度でも安定な過度に微細でない結晶は、結晶成長する。一般に熟成(エイジング)と呼ばれる。

難溶性の結晶の析出の場合、核発生、核成長、微細結晶の凝集成長などが併発して起こり、任意にコントロールすることは困難である。回分反応では特に顕著である。

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2011年4月20日 (水)

勉強

今週は企業コンサルティングが月曜のみなので、わりと自宅にいることが多いです。

合間を見ていろいろ勉強中です。

1.晶析

2.結晶成長

3.反応工学

4.制御

かなりマニアックな内容なので、一般の人には説明し難いものがあります。

晶析の身近な例は、食卓にある食塩、砂糖などです。

食塩や砂糖などの粒をよく観察すると、規則正しい形状をしています。

それぞれ、結晶系に基づく結晶外形を反映した形になっています。

この結晶外形や結晶の大きさ、または結晶系を制御する学問を、晶析または結晶成長といいます。

工業的にコントロールするためには、反応工学やプロセス制御の知識が必要となります。

本設備を作るためには、上記の知識以外に、

・材料化学・・・装置材料

・機械工学

・設計

・シーケンス制御、自動制御

など、幅広い知識と経験が必要です。

物作りは知識だけでは成就しません。

長年の失敗と成功の経験が必要です。

自慢ですがcat、小生の得意分野の一つです。

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2011年3月 6日 (日)

流体のエネルギー

流体力学の入門です。

流体のエネルギーには、位置エネルギー、速度エネルギー、静圧エネルギー、内部エネルギー、エンタルピー、熱エネルギー、機械的エネルギーなどがあります。

1.位置エネルギー

基準高さよりZm高いところにある流体1kgは、下式で表される位置エネルギーを持つ。

gZ 【J/kg】

ここにgは重力加速度 9.8m/s^2

単位は、m^2/s^2 = kg・m/s^2×m/kg = N・m/kg = J/kg

2.運動エネルギー

速度u m/sで移動する流体1kg

は、下式で表される運動エネルギーを持つ。

u^2/2 【J/kg】

単位は、m^2/s^2 = J/kg

※運動エネルギーは速度uを0~uの範囲で積分することにより誘導される。

3.静圧エネルギー

流体m kgが静圧p PaでV m^3移動する際の流体1kgについての仕事は下式で表される。

pV/m = pv = p/ρ 【J/kg】

ここにvは単位質量あたりの流体体積、ρは流体密度。

単位は、Pa・m^3/kg = N・m/kg = J/kg

4.内部エネルギー

流体を構成する分子は、結合エネルギー、振動エネルギーなどを有しており、あわせて内部エネルギーという。

E 【J】、 e 【J/kg】

5.エンタルピー

流体の持つ内部エネルギーと静圧エネルギーの和をエンタルピーと呼ぶ。

H = E + pV 【J】

h = e + pv  【J/kg】

6.熱エネルギー

流体に外部から加えられた熱量。

Q【J】、q【J/kg】

7.機械的エネルギー

流体に外部から加えられる仕事。

たとえば、ポンプやコンプレッサー、ファンなど。

W 【J】、w 【J/kg】

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2011年2月19日 (土)

弱塩基の水溶液のpH

アンモニア水溶液を例とする。
アンモニアNH3は、水中で下式のように溶解する。

NH3 + H2O leftright NH4+ + OH-

アンモニアは一部水と反応してアンモニウムイオンNH4+となる。その結果、水分子の一部は、水酸化物イオンOH-となる。そのため水溶液は塩基性となる。

[ 弱塩基水溶液の水素イオン濃度 ]

弱塩基をBとすると、

B + H2O ←→ [BH+] + [OH-]

弱塩基の解離平衡より、

221  ・・・1

水の自己解離より、

222  ・・・2

また、弱塩基の濃度をCb とすると、質量均衡は、

Cb = [B]+ [BH+] ・・・3

電荷均衡は、

[BH+] + [H+] = [OH-] ・・・4

である。

これら4式から、下式が導かれる。

225  ・・・5

[OH-] X 0.05 > [H+] ・・・ 6

が成立する場合は、5式は

Kb =227  ・・・7

さらに

Cb X 0.05 > [OH-] ・・・8

が成立するときは、

Kb =229  ・・・9

であり、

[OH-] =2210   ・・・10

 [ 計算例 ]

濃度0.1 mol/dm^3のアンモニア水溶液の水素イオン濃度を求めてみる

アンモニアの解離定数pKb=4.71

式10を用いると
[OH-] = (10^-4.71 x 0.1)^0.5 = 1.4x10^-3 mol/dm^3

水素イオン濃度は、
[H+] = 7.16 x 10^-12 mol/dm^3

この結果は、8式の条件を満足している。

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2011年1月25日 (火)

弱酸の水溶液、弱塩基の水溶液 3.弱酸水溶液の[H+]計算方法その2

フッ化水素HF 0.100 mol を水で希釈して1.00 dm^3 とした水溶液(フッ化水素酸)の水素イオン濃度 [H+] を求めよ。

【解】

フッ化水素の解離定数pKaは、2.85。
フッ化水素の濃度はcHA=0.100mol/dm^3。

16式を用いると

[H+]=(Ka*cHA)^0.5

結果は14式

0.05cHA > [H+]

を満足していないので

13式をもちいて再度計算する。

[H+]^2 + Ka[H+] - cHA * Ka = 0

Ka, cHAにそれぞれ値を代入して、二次方程式を解き、正の値を採用すると、

[H+]=1.12*10^-2 mol/dm^3

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2010年11月18日 (木)

弱酸の水溶液、弱塩基の水溶液 3.弱酸水溶液の[H+]計算方法その1

弱酸の水溶液、弱塩基の水溶液 3.弱酸水溶液の[H+]計算方法

解離定数が大きく、濃度が希薄な場合は、9式を用いて[H+]濃度を計算することになる。その計算方法を以下に示す。
9式
Ka = ([H+]([H+]-[OH-])/(cHA-([H+]-[OH-])
において、[H+]-[OH-]=dと置いて上式を変形すると、

d=[H+]-[OH-]=KacHA/(Ka+[H+])・・・9’

[H+]を適当に仮定してdを9’式より求める。

ついで、

d=[H+]-[OH-]=[H+]-Kw/[H+]・・・*

にdを代入して、[H+]を求める。

仮定した[H+]と*式で求めた[H+]が等しくなるまで、
try and errorで計算を行う。


酢酸(解離定数Ka=4.76)で、
cHA=1*10^-5mol/dm3
cHA=1*10-6mol/dm3
cHA=1*10-7mol/dm3
を例として計算する。

201_2

[H+] >> [OH-]  の時に適用出来るとした、13式を用いて計算してみる。

Ka = [H+]2 / (cHA - [H+]) ・・・ 13式

計算結果を、try & error法と対比して下に示す。

202

この結果より、酢酸濃度が希薄になるほど、try & errorの結果とずれていくことが分かる。

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2010年11月17日 (水)

弱酸の水溶液、弱塩基の水溶液 2.弱酸水溶液のpH

弱酸の水溶液、弱塩基の水溶液 2.弱酸水溶液のpH

弱酸の場合、水溶液中では、一部解離しており、未解離のHA、解離したH+、A-などが存在する。
また水の自己解離によるH、OHも共存する。

これを式で表すと

HA leftright H+ + A-  ・・・1
H2O leftright H+ + OH- ・・・2

それぞれの平衡定数は、

Ka = [H+][A-]/[HA]  ・・・3

Kw =[H+][OH-]  ・・・4

溶液全体の電荷は0であるから、

[H+] = [A-] + [OH-]  ・・・5

いま濃度cHA mol/dm3の弱酸水溶液について考える。

HAのうち一部は未解離、一部解離するので

cHA = [HA] + [A-] ・・・6

5式を変形して

[A-] = [H+] - [OH-]  ・・・7

6式を変形して7式を代入すると

[HA]=cHA-[A-]=cHA-([H+]-[OH-]) ・・・8

7、8式を3式に代入すると

Ka = ([H+]([H+]-[OH-])/(cHA-([H+]-[OH-])  ・・・ 9

さらに[OH-]を[H+]とKwで表せば。

1910_2

  ・・・10

.

.

.

となる。

10式を変形して

[H+]3+Ka[H+]2-(Kw+cHAKa)[H+]-KaKw=0・・・11

[H+] >> [OH-]

たとえば

[H+]*0.05 > [OH-]・・・12

と考えることができる場合
10式は、

Ka = [H+]2/(cHA-[H+])・・・13

弱酸の酸解離定数が小さく

cHA*0.05>[H+]・・・14

が成り立てば、13式はさらに

Ka = [H+]2/cHA・・・15

と簡略化できる。

変形して

[H+]=(KacHA)0.5・・・16

12式と14式を満たす場合、すなわち解離定数が小さく、濃度が薄くない場合は、16式をもちいて[H+]を計算できる。
解離定数が大きい場合は、13式の二次方程式を解く。

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