水の性質

水は、無色、無臭、無味で、ほぼ透明な化合物であり、地球上で最も一般的な物質の 1 つです。水の単一分子は、化学式 H₂ を持っています O:2 つの水素 (H) 原子と 1 つの酸素 (O) 原子から構成されていることを意味します。

水は、その分子構造が他の化合物にはない多くの興味深い特性を与えているという点で、ユニークな物質です。水のユニークな特性には、その溶媒能力、高い沸点と蒸発点、高い比熱容量、非圧縮性、多相性などがあります。

水はおそらく人類の歴史の中で最も研究され、よく理解されている唯一の化合物であるため、その特性は長い間知られていました.実際、古代ギリシアの博物学者タレスは、宇宙は基本的に水であり、存在するすべてのものは水の変化にすぎないと考えていました。それは、物質の 3 つの状態で自然界に一般的に見られる唯一の物質であり、水の溶媒能力は、私たちが知っているように、生命にとって必要です。人体の 60% 以上は水で構成されており、地球の表面の 70% 以上は水で覆われています。水は、さまざまな測定単位の旗手としても機能します。たとえば、ケルビン温度スケールは水の三重点に基づいており、正確に 273.16°K と定義されています。

水の物理的性質

極性

水は極性化合物です。つまり、電気双極子モーメントがあります。酸素原子は水素原子よりもはるかに電気陰性度が高いため、酸素原子は共有電子に大きな引き寄せを及ぼします。この不均等な力により、電子は水素原子よりも酸素原子に向かう傾向があります。その結果、水分子は、分子の酸素末端に局在する部分的な負電荷と、水素末端に局在する 2 つの部分的な正電荷を持つことになります。

水分子の極性は、水の溶媒特性を説明します。別の極性物質を水に浸すと、部分的に荷電した酸素と水素の端が、水に浸かった物質の分子の部分的に荷電した端を引き付けます。水分子は、浸漬された物質の分子を剥ぎ取り、溶解します。水は優れた溶媒であるため、酸性水溶液の作成によく使用されます。

水素結合

水の極性により、水素結合と呼ばれる特別なタイプの分子間結合を行うことができます。水素結合は、ある分子の水素原子と別の分子の電気陰性原子との間に形成される静電結合です。水分子では、酸素は部分的に負の電荷を持っています。この部分的な負電荷は、他の水分子の正の水素末端を引き付けます。水素は非常に小さい原子であるため、隣接する酸素原子に非常に接近する可能性があります。静電引力は、2 つの荷電粒子間の距離の 2 乗に比例するため、非常に近い水素原子は、隣接する水分子の酸素分子にかなり強い静電引力を及ぼします。各水分子は、隣接する水分子と 4 つの異なる水素結合を形成できます。

水の水素結合は、水の興味深い物理的性質を説明しています。ほとんどの化合物は、凍結すると収縮します。物質から運動エネルギーを除去すると、その構成分子の動きが遅くなるため、分子を互いに近づける分子間結合を克服する可能性が低くなります。水が冷やされると、約 4 °C に達するまで予想どおりに収縮します。その時点で、水は総体積の約 9% 膨張します。

水は、その水素結合のために凍結すると膨張します。水を冷やすと、その構成分子の速度が低下します。動きの遅い水分子は、他の水分子と水素結合を形成しやすくなります。水素結合の独特な性質により、分子は堅固な四面体格子状構造に配置されます。これが、氷が液体の水に浮く理由です。水は凍ると膨張するため、氷のサンプルは同じ質量の液体の水のサンプルよりも密度が低くなります。

熱力学的特性

水の水素結合は、多くの熱力学的特性も説明しています。類似の分子構造を持つ他の化合物と比較して、水は不自然に高い沸点を持っています。物質を沸騰させるには、物質に運動エネルギーを加えて、その構成分子が分子間結合を克服できるようにする必要があります。水素結合が強いため、水分子の運動が分子間結合を克服するには、比較的多くのエネルギーが必要です。

同様に、同じ理由で、水は非常に高い比熱容量を持っています。物質の熱容量は、物質 1 グラムの温度を 1 K 上昇させるのに必要なエネルギー量です。 1 グラムの純水の温度を 1 ケルビン上昇させます。この値を硫化水素 (H₂ S)、水のような分子構造を持つ化合物。硫化水素の比熱容量は 1.0003 J/g·K です。つまり、1 グラムの水の温度を 1 度上昇させるには、等価質量の硫化水素の温度を 1 度上昇させるのに必要な量のほぼ 4 倍のエネルギーが必要です。

ちなみに、カロリー 熱の単位は、純水の 1 グラムの温度を摂氏 1 度上げるのに必要な熱エネルギーの量として定義されます。ケルビン温度と摂氏温度の単位は同じ大きさであるため、1 カロリーは 4.2 ジュールに等しくなります。

さらに、水素結合は水に高い融解熱、気化熱、および熱伝導率を与えます。これらの特性の組み合わせにより、水は熱を伝達し、温度を調整するのに非常に効率的です。このメカニズムは、水が熱を蓄え、海と大気の間を移動する地球の気候で最も顕著です。水の熱特性は、工業目的にも役立ちます。蒸気エンジンと水力技術は、水の熱力学的特性を利用して機械エネルギーを生成します。

表面張力

水の水素結合は、比較的高い表面張力も与えます。水のサンプルの表面にある分子は、周囲の大気中の分子よりも隣接する水分子により強く結合します。その結果、重量を支えることができる表面全体に薄い「フィルム」ができます。アメンボやトカゲなどのいくつかの生物は、この高い表面張力を利用して水の上を歩きます。

表面張力の背後にある同じメカニズムは、水の毛細管現象についても説明しています。分子間の分子間引力により、水は重力に直面しても垂直管の壁を登ることができます。いくつかの植物は、水輸送のためにこの毛細管現象に依存しています。

水の種類

水素と酸素には多数の同位体があるため、水の同位体がいくつか知られています。水のほとんどの異なる種は、水素の異なる同位体の結果です。たとえば、プロチウムは水素の同位体で、陽子 1 個で構成され、中性子は含まれません。ほとんどの天然水は、水素のプロチウム同位体で形成されます。

対照的に、重水素は、1 つの陽子と 1 つの中性子で構成される水素同位体です。重水素水は、約 15 ppm の割合で発生します。 「重水」と呼ばれることもある重水素水は、プロチウム水よりもわずかに重いです。このより多くの質量は、より優れた熱伝導特性につながります。そのため、重水素は原子炉で中性子シンクおよび冷却材としてよく使用されます。人間が重水素を大量に消費すると、生物学的合併症、特に神経障害や腎臓障害を引き起こす可能性があります。

2 つの中性子を持つ水素原子から作られた水の同位体種も存在します。 「トリチウム」水は、プロチウム水や重水素水よりも重いです。トリチウム水は放射性であり、約 4,500 日の半減期で崩壊します。自然に発生するほとんどのトリチウムは、宇宙線が水蒸気に衝突する上層大気で形成されます。

測定基準としての水

水はどこにでもあり、その性質はよく理解されているため、歴史的に測定単位の基準を設定するために使用されてきました。実際、非常に長い間、質量の標準単位であるグラム (g) を定義するために水が使用されていました。 1795 年に、1 キログラムは 1 立方デシリットル (10cm x 10cm x 10cm の立方体) の水の質量として定義されました。 1900 年に、リットル (L) は、標準的な圧力と温度での 1 kg の水の体積として定義されました。

さらに、摂氏とケルビンの両方の温度スケールは、それぞれ水の沸点と三重点に基づいています。 100 °C は 1 気圧での水の沸点として定義され、水の三重点は正確に 273.16 °K として定義されます。水は、標準圧力を定義するためにも使用されてきました。1 気圧は、真空柱を 13.1 m 上昇させた水に必要な圧力として定義されることがあります。

最後に、水は熱力学で熱と熱伝導率の基準を定義するために使用されてきました。カロリー (cal) は歴史的に、標準的な温度と圧力で 1 グラムの水の温度を 1 °C 上昇させるのに必要な熱エネルギーの量として定義されてきました。