1.1 水の構造

1.1.4　水の状態変化
—日常接している氷、水、水蒸気は一気圧の大気中での水の状態—
（水の状態図）
　前節で述べたように、水は固体（氷）、液体（水）、気体（水蒸気）の３つの状態をとります。この３つの状態がどのような関係にあるかをみてみましょう。水の３つの状態の変化をみるには「状態図」が役立ちます。水の状態図とは、温度と圧力を変化させたときに、３つの状態がどのように変化するかを示したグラフです。それを図３に示しました（図は概念図であって、スケールは正確ではありません）。

図３　水の状態図

　図３で、固、液、気と示したのは，それぞれ固体（氷）、液体（水）、気体（水蒸気）が生じる範囲を示しています。それらの境界線Ａ、Ｂ、Ｃ上では互いに隣り合う２つの状態が共存することができます。たとえば、１気圧のもとで、温度を上げていきますと、はじめ氷であったものが、Ｐ点（０℃）で氷と水が共存します。この点は融点又は氷点といいます。ここを過ぎると完全に（液体の）水になり、さらに温度を上げるとＱ点（100℃）で、水と１気圧の水蒸気が共存します。この点は１気圧での水の沸点です。

（三重点）
　温度が0.01℃、圧力が0.006気圧の点ではＡ線、Ｂ線、Ｃ線の３つが交わります。この点Ｔでは氷と水と水蒸気の３つの状態が平衡して共存できます。Ｔ点を水の三重点といいます。図からわかるように氷の融点（０℃、１気圧）と三重点（0.01℃、0.006気圧）は同じではありません。Ｔ点以下の温度、圧力では液体の水は存在することができず、温度の変化に応じて、Ｃ線を境にして氷が直接水蒸気になり（昇華）、また水蒸気が直接氷として凝結します。

（臨界点、臨界温度、臨界圧力）
　一方、Ａ線で温度、圧力が非常に高くなり、374℃、218気圧（Ｋ点）以上になりますと、液体と気体の水は互いに区別できなくなり、Ａ線はＫ点で終わりになります。この点を水の臨界点といい、その温度、圧力をそれぞれ臨界温度、臨界圧力といいます。ここでは詳しくは触れませんが、臨界点を過ぎた水は特殊な媒体として働き、この中では特異な化学反応が起きるようで、現在各所で精力的な研究が行われています。

（氷の状態）
　図では、氷については単に「固」として示しただけですが、実は図の氷は氷Ⅰhという状態を示したもので、氷は温度と圧力を変えると、氷Ih、氷Ic、氷II、氷III、氷IV、氷V、氷VI、氷VII、氷VIII、氷IX, 氷X、といった種々の状態の氷になります（氷IVと氷IXは準安定相）。氷Ihは水分子の４つの水素結合が109.5°の角度を作る、六方晶系の、大きな空孔のある構造で、私達が普段接する氷です。先に氷の密度が液体の水の密度よりも小さいと言いましたが、これは氷Ihの場合です。圧力が高くなるに従って水分子の充填度が高くなり、水素結合でつながれた２つの網目が入り組んだ構造をするようになります。それに応じて密度が上昇し、氷Ⅷでは1.66g/cm³以上になります。