できなかったもの 水について知っていますか？それはぬれている！それは明確だ。それは雨から来ています。沸騰する。それは雪を作り、氷を作ります！私たちの政府は、あなたが水を研究するために実際に納税者のお金を使っていますか? ？」
この抜粋は、約 7 年前に亡くなった愛する故母との最後の会話の 1 つからのものです。母は 99 歳で驚くほど倹約家でした。彼女の言葉は、世界の人口の半分が持っているように見える見解を反映しています。水は退屈です。
しかし、疑似科学とニューエイジの教祖に煽られた世界の他の半分は、ホメオパシー、構造化された水、ポリウォーター、水の記憶などの魔法の特性に賛同しているようです.
真実は真ん中のどこかにある。はい、水はありふれたものです。実際、水は宇宙で 3 番目に多い分子です。しかし、マザーの見解に反して、一見複雑でもあります。以下は、今日未解決のまま残っている水に関連する科学的問題のほんの一部です:
1.氷は何種類ありますか?
最新のカウントでは、17 の異なる結晶形の固体水があります。ただし、フォームは 1 つだけです — アイス Ih —実験室の外で地球上に一般的に存在します。 Ice Ic と呼ばれる 2 番目の結晶形 上層大気には非常に少量しか存在せず、別の 15 の形態は非常に高い圧力でのみ発生します。 (星間空間にも多くの水がありますが、通常は非晶質で非晶質のガラス状の氷が凍って塵の粒子になっています。)
驚くほど多様な結晶氷の形態は、隣接する水分子間で形成される強力な水素結合の四面体ネットワークに起因します。水の凝縮相では、各分子は四面体に近い角度で 4 つの水素結合を形成することにより、その水素結合能力を最適化します。 Ice Ih 内の水素結合 低密度で開いた三次元構造を形成します。
結晶氷、元素状炭素、ケイ素、リンなどの四面体物質に圧力をかけると、低密度の固体が、おそらく最密充填限界に達するまで、順次高密度のさまざまな構造に崩壊する可能性があります。これにより、これまでに観察された 17 種類の結晶氷が生成されます。発見することはまだありますか?
2. 2ありますか 液体の水の種類は?
数十年前、日本の科学者は、高圧下で無定形氷の 2 つの相の間の遷移を観察したと主張しました。非晶質の氷は本質的に対応する液体の凍結したスナップショットであると考えているため、この観察結果は、通常の低密度の水と、高圧の非晶質の氷に類似したコンパクトな高密度の形の 2 種類の液体の水が存在する必要があることを意味します。
その後のシミュレーションは、この主張を支持しています。彼らは、温度が氷点下であるが、その「均質核形成温度」（液体の水が存在できない温度）よりも高い水を調査しました。このいわゆる「極度の過冷却」領域で、科学者は 2 つの液体形態の水の相転移の証拠を発見しました。
しかし、他の科学者は、これらの結果は人工物であり、統計力学の原則に基づいて、そのような遷移が発生する可能性は低いと主張しています.それらが平衡から遠く離れて発生するという事実は、それらを観察してモデル化することを困難にします。実際、平衡から遠く離れた動作は、凝縮物質理論の現在のフロンティアです。
3.水はどのように蒸発するのですか?
液体の水の蒸発速度は、現代の気候モデリングにおける主な不確実性の 1 つです。雲の中の水滴のサイズ分布を決定し、雲がどのように光を反射、吸収、散乱するかを決定します。
しかし、水が蒸発する正確なメカニズムは完全には理解されていません。蒸発速度は、従来、分子間の衝突速度に、0 から 1 の間で変化する蒸発係数と呼ばれるファッジ係数を乗じて表されます。数十年にわたるこの係数の実験的決定は、3桁以上変化しています。理論計算は、蒸発が非常にまれなイベントであり、法外に長く大規模なコンピューター シミュレーションを必要とするという事実によって妨げられてきました。
カリフォルニア大学バークレー校のデビッド・チャンドラーは、同僚とともに、遷移経路サンプリングと呼ばれるこのようなまれな事象を説明できる理論を使用して、水の蒸発係数を計算しました。 1 に近い値に到達しました。これは、通常の水と重水の両方で 0.6 の値を生成する最近の液体マイクロジェット実験にかなりよく対応しています。
ただし、いくつかのしわがあります。 1 つには、より大気に関連した条件下で行われた実験で、なぜはるかに低い値が得られるのかは不明のままです。また、遷移経路のサンプリングシミュレーションは、蒸発が液体の表面に沿って走る異常に大きな毛細管波に依存していることを示唆しています。これは、蒸発する水分子に保持されている水素結合を歪め、弱めます。水への塩の添加は、表面張力を上げ、毛細管波の振幅を抑制するため、蒸発速度を低下させるはずです。しかし、実験的研究では、塩を加えても効果がほとんどまたはまったくないことが示されています。
4.液体の水の表面は酸性ですか、それとも塩基性ですか?
ナイアガラの滝を取り巻く霧には注目すべき点があります。個々の水滴は、あたかも負に帯電しているかのように動きます。同じことがほとんどの滝にも当てはまります。これは長い間、液滴表面に負の水酸化物 (OH-) イオンが蓄積している証拠として解釈されてきました。これは、表面が塩基性であり、pH 値が中性の水の 7 よりも高いことを意味します。実際、この考え方はコロイド科学者のコミュニティ内でドグマになっています.
液体の水の表面には、壊れた水素結合が多数含まれており、バルクで見られるものとはかなり異なる化学環境を作り出します。しかし、最近の実験と計算では、水和プロトン (H+) が実際には液体の水の表面を支配し、塩基性で負に帯電した表面ではなく、酸性 (7 未満) の pH と正に帯電した表面を生成することが示唆されています.
大気エアロゾル - ガス交換、酵素触媒作用、膜貫通プロトン輸送など、化学と生物学における多くの重要なプロセスは、水面でのプロトン交換を伴い、水面の pH に明示的に依存しますが、この量は現在不明です。 /P>
5.ナノ閉じ込め水は違うのですか?
巨大な海では、常に水が揺れているわけではありません。自然界でも人工装置でも、水は逆ミセル、カーボンナノチューブ、プロトン交換膜、キセロゲル (高度に多孔性のガラス状固体) など、想像を絶するほど小さな空間に閉じ込められていることがよくあります。
実験と計算の両方が、数百個の分子のサイズに匹敵するサイズの空間の小さな領域に固体の壁によって閉じ込められた水が、非局在化や量子コヒーレンスなどの量子力学的効果を示し始めることを示しているようです。これらの特性は、バルク水の特性とは著しく異なり、生体細胞から地質構造まであらゆるものに影響を与える可能性があります。また、より効率的な淡水化システムを設計する場合など、実用的にもかなり重要になる可能性があります。
しかし、現在の結果はいくぶんあいまいなままであり、閉じ込められた水の性質を決定するために、この分野でさらに多くの研究が行われなければなりません.
Richard Saykally は、カリフォルニア大学バークレー校の化学教授です。彼は 30,000 回以上引用された 400 を超える出版物を出版しました。
