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■水の話 〜化学の鉄人小林映章が「水」を斬る!〜
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1章 水の構造と性質 小林 映章

1.1 水の構造

1.1.3 水の3つの状態
―氷も水も水蒸気もスカスカの構造をしている。氷は水よりスカスカ―
(液体の水も互いに束縛し合う)
 物質の多くは、固体、液体、気体の3つの状態をとりますが、水も同様に固体、液体、気体の3つの状態をとることは、日常水に接している私達のよく知っているところです。固体の水、つまり氷は水分子が互いに水素結合でがっちり結合し、それぞれの分子が自由に動き回ることができません。液体の水は前節で述べたように水素結合でクラスターを作り、氷ほどではありませんがやはり互いに束縛しあった動きをしています。気体の水、すなわち水蒸気では分子が完全に1個1個ばらばらで、自由自在に動き回っています。気体と液体の水はH2O分子単位でみたとき、ほぼ1.1.1で説明したような構造をしています。しかし、氷は大分様子が違い、いろいろな結晶構造をしています。

(水素結合が水の特異性のもと)
 水は自然界に存在する他の多くの物質と比べると非常に変わっています。自然界の物質の多くは、 液体<個体 のように液体から固体へと移り変わるに従って密度が大きくなります。一般に固体の方が液体よりも原子がぎっしり詰まっていますから密度が大きいのが当然です。しかし、水の場合は液体の水の方が固体の氷よりも密度が大きいという変わった性質を持っています。

 また、液体は、アルコールにしても石油にしても、温度が上昇すると、気体と同じように、膨張して軽くなりますが、水は約4℃で最も重くなります。

 どうして水は上のような他の物質と異なった性質を示すのかについては古くから多くの人々が注目し、研究してきました。水の構造を議論するとき、水素結合という言葉が頻繁に出てきます。先に述べたように、氷は勿論のこと、液体の水も大部分は水素結合で互いに繋がっています。その結果水分子は勝手気ままに存在しているわけにはいかず、互いに束縛し合っています。ところで、水素結合の強さは水分子間の距離だけではなく、分子の方向に依存しています。そのため、水は全体として最も安定した構造をとるためには特定の方向にある分子とつながりを持ち、他の分子はそこに入り込めないことになります。このようにして水分子はぎっしり詰まることができず、スカスカの詰まり方になるわけです。

(水の配位数)
 水の配位数【配位数とは、ある分子の周りに配位している他の分子の数】は、一般の単純液体、例えば、ベンゼンやプロパンといったような分子間に特殊な相互作用や会合〈クラスター〉が存在しない多くの液体に比較して極端に小さいものです。氷の配位数は4、液体水の配位数はそれより若干大きくて5弱です。すなわち、水は非常に隙間の多い分子配置、すかすかの構造をしているわけです。氷の配位数が液体水の配位数より小さいと云うことは、水の場合、固体の方が液体よりもすかすかで、密度が小さいことを意味しています。

(水は4℃で最大密度)
 水の最大密度が約4℃ということは、4℃までは氷点(0℃)から温度が上昇するに従って分子運動が盛んになり、分子配置が崩れて若干隙間が小さくなることを意味しています。4℃よりも温度が上昇すると、他の液体と同じように膨張して密度が小さくなります。

 このような液体の水よりも氷のほうが密度が小さい、4℃の水が最大密度であるということは、地球上で生物が生存し得るために決定的な役割を果たしており、天地創造の妙を感じます。

 水の特異な性質については、後の「水の性質」の節でもっと詳しく述べる予定です。

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