水 (H2 O) は無色、無臭、無味の化合物で、既知のすべての生命活動に不可欠です。水は極性分子です。つまり、構成電子の空間分布が不均一であるため、構造全体に正味の双極子モーメントがあります。
水の極性は、その高い沸点/比熱容量、表面張力、および溶媒能力など、水の固有の物理的特性の多くを説明しています.
水の電気陰性度と極性
化合物の極性は、個々の構成要素の化学結合の極性によるものです。すべての化学元素には電気陰性度があります。元素の電気陰性度は、その元素の原子が電子に対してどの程度「空腹」であるかの尺度と見なすことができます。外殻に電子がほとんどない原子は電気陰性度が低くなる傾向があり、外殻に多くの電子がある原子は非常に電気陰性度が高くなる傾向があります（完全な外殻電子殻を持ち、非常に不活性な希ガスを除く）。
2 つの元素が極性結合を形成するかどうかは、それらの元素の電気陰性度の相対的な差によって決まります。電気陰性度が同じ場合、結合は完全に無極性になります。完全な極性結合は、電気陰性度の低い元素から電子を奪う電気陰性度の高い元素を含み、より適切にはイオン結合と呼ばれます。したがって、「極性」という用語は、電気陰性度の相対差が 0.05 ～ 2.0 である共有結合に主に使用されます。
極性結合では、電気陰性度の高い元素ほど、分子の電子を不均等に引き寄せます。これにより、電子は分子の片側に向かう傾向があります。電子の正味の動きは、正の端と負の端を持つ双極子モーメントを分子内に作成します。例えば、水は水素原子2個と酸素原子1個でできた分子です。酸素は水素よりも電気陰性度が高いため、原子が結合すると、酸素は分子の電子をより強く引き寄せます。この引力のために、電子は原子の酸素端に向かって正味の動きをします。この動きにより、水素末端に 2 つの正に帯電したノードと酸素末端に 1 つの負に帯電したノードを持つ双極子モーメントが作成されます。不均一な電子の引き寄せは、水分子の幾何学的形状も説明します。結合角が 104.5° の曲がった三原子分子。
水の極性と物理的性質
水の極性は、水の固有の物理的特性の多くに関与しています。まず、水の極性によってその溶媒特性が説明されます。液体の水のサンプルは、塩などの多くのイオン化合物、エタノール (アルコール) などの極性有機化合物、および酸を溶解することができます。極性水分子はイオンやその他の極性分子を引き離し、大きな構造から引き離して溶解させます。イオン性化合物を容易に溶解できるため、水は電気の良導体として機能します。よく知られていることですが、純水自体は電気を通しにくいです。ただし、水が少量のイオン性化合物 (食卓塩など) を溶解すると、電気伝導体になります。ほとんどすべての生物は、生き残るために水の溶媒能力に依存しています。
水の極性により、水素結合と呼ばれる特別な種類の分子間結合も可能になります。 .水素結合は、水素が電気陰性度の高い元素 (酸素、窒素、フッ素など) に結合し、別の極性分子または孤立電子対が存在する場合に発生します。水分子の正電荷を帯びた水素末端は、負電荷を帯びた酸素末端を引き付け、異なる水分子間に部分的な静電結合を作り出します。単一の水分子は、隣接する水分子と最大 4 つの水素結合を結ぶことができます。
静電引力は 2 つの荷電体間の距離の 2 乗に比例するため、水素原子が隣接する分子に近づけば近づくほど、結合は強くなります。水素原子は非常に小さいため、隣接する酸素原子に非常に接近し、比較的強い静電結合を形成することができます.
水分子間の水素結合の強さは、同様の化学構造を持つ他の化合物 (硫化水素) と比較して水の沸点 (100°C) が高いことを説明しています。水素結合を切断するには大量の運動エネルギーが必要であり、これが水の比較的高い比熱容量 (4.2 J/Kg) の説明にもなります。水素結合は、水の高い表面張力にも関与しています。水のサンプルの表面にある分子は、真上の空気中の分子よりも、隣接する水分子とより強い結合を形成します。水分子の凝集により、表面に「フィルム」が作成され、ある程度の重量を支えることができます。アメンボや一部のヤモリなどの少数の動物は、この高い表面張力を利用するように進化し、実際に水の上を歩くことができます。この分子凝集力は、水が重力に逆らって細い管の壁をよじ登る傾向がある理由も説明しています。維管束植物は、この毛細管現象を利用して、根から植物の体に水を汲み上げます。
極性と水素結合は、水の独特な多相性に関与しています。水は、自然条件下で物質の 3 つの相 (固体、液体、気体) のすべてに共通して存在することが知られている唯一の化合物です。水は極性があり、水素結合に関与しているため、広範囲の温度および圧力条件で比較的安定した物理的プロファイルを持っています。さらに、水素結合の存在は、水が膨張する理由を説明します 凍ったとき。すべての化合物は冷却すると密度が高くなりますが、水が約 4°C に冷却されると、膨張し始めます。冷却された水のサンプル内の分子の動きが遅いため、水素結合が形成されやすくなり、分子が結晶構造に配置されやすくなります。その結果、凍った水のサンプルの体積が増加します。 約 9% の割合で、ソーダ缶が冷凍庫で爆発する理由
要約すると、水は 2 つの水素原子と 1 つの酸素原子から形成される極性化合物です。電気陰性度の高い酸素原子は、分子の構成電子に不均等な引力を及ぼし、分子全体に正味の双極子モーメントを引き起こします。水の極性は、水のユニークな特性の多くを説明し、生命に必要な成分である理由を説明します.
