| 水の話 |
水は典型的な極性分子→水素結合を形成する
水については誰もがよく知っており、また、水分子の構造についても理科の本に詳しく記述されていますので、いまさら触れる必要はないと思いますが、話しの順序として簡単に記述します。水分子の構造は図１のようであることが分っています。
図１ 水分子の構造
水分子H2Oは図１(A)のように酸素原子Oと２個の水素原子Hが共有結合で結ばれており、O―H
結合の距離は0.957Å、角度H―O―Hは104.5°です。これをさらに詳しくみると、図１(B)に示したような構造をしています。酸素原子を正四面体の中心に置いたとき、O―H
結合はこの酸素原子から正四面体のほぼ頂点方向に伸びています。中心と頂点の距離、すなわち、OとHの距離は0.957Åになります。また、２つのO―H
結合の作る角度は104.5°で幾何学的な正四面体の中心角109.5°と非常に近い値になっています。正四面体の残りの２つの頂点には酸素原子の2個の非共有電子対（孤立電子対：電子が2個ペアになって他の原子との結合性を失ったもの）が配向しています。
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。
カルシウムイオンやマグネシウムイオンを比較的多量に含む水を硬水（hard
water）と云い、それらの濃度が比較的小さい水を軟水（soft
water）と云います。
硬水のうち、含まれている陰イオンが主に炭酸水素イオンの場合、煮沸することでCa2+やMg2+を炭酸塩として沈殿させることができます。このような水を「一時硬水」と云います。陰イオンが塩化物イオンCl-や硫酸イオンSO42-などの場合には煮沸しても沈殿させることができません。このような水を｢永久硬水｣と云います。
(硬水・軟水の表し方)
硬水か軟水かを表す尺度として硬度（hardness）が使われます。硬度はカルシウムイオンやマグネシウムイオンをどのくらい含んでいるかを示すものです。硬度には大別してドイツ硬度とアメリカ硬度の２つがあります。
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カルシウムやマグネシウムの量を全て酸化カルシウムCaO量に換算して表します。
水100ml中にCaO 1mgを含むとき１度とし、マグネシウムは、1.4MgO = 1.0CaOとしてCaOに換算します。
通常、20度以上の水を硬水、10度以下の水を軟水と云います。
ドイツ硬度：
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カルシウム、マグネシウムの量を炭酸カルシウムCaCO3に換算し、mg/l又はppmで表します（mg/l ≡ ppm)。
ドイツ硬度１度 ≡ アメリカ硬度17.8mg/l になります。
アメリカ硬度：
（硬水を軟水にするには）
硬水はボイラー内部に固い石灰質の湯あか（缶石）を生じて熱伝導率を悪くしたり、石けんの効力を弱めたり（カルシウムイオンやマグネシウムイオンが石けんの脂肪酸塩と反応すると、水に溶けない脂肪酸カルシウムや脂肪酸マグネシウムのような金属石けんになり、石けんの効きを損ないます）、あるいは著しい硬水を飲み続けると肝臓障害を引き起こすことがあります。そこでしばしば硬水を無害な軟水にする処理が行われます。
一時硬水の場合は煮沸することでかなり軟水にすることができますが、一般的には、あるいは工業的には、イオン交換樹脂や合成ゼオライトなどのイオン交換体の層に硬水を通して水中のカルシウムイオン等を除くイオン交換法が盛んに行われています。
水は蒸発しにくく、凍結しにくく、温まると冷めにくく、また良く熱を伝える
この節では水の注目すべき特性のうち、熱に関する特性、特に比熱容量、気化熱、融解熱および熱伝導率について概観しましょう。
（比熱容量）
比熱容量とは、単位質量の物質の温度を１℃上げるのに必要な熱量のことを言います。古くは比熱と呼んでいましたが、定義のしかたが比重などと同一だと考える間違いが生じやすいので、現在は「比熱」を使用しないことが推奨されています。
表３に水を含む種々の物質の比熱容量を示しました。
金属の比熱容量は別として、アルコールなどの通常の液体の熱容量が２kJ/kg・K以下なのに比して水の熱容量が4.2
kJ/kg・Kときわめて高いことが分かります。このことは、水は温めるのに大きな熱量を必要としますが、いったん温まると冷めにくい液体であることを示しています。
（気化熱、融解熱）
次に、水を蒸発させたり、氷を溶かしたりするときにどのくらい熱を必要とするか調べてみましょう。
表４に水を含む種々の物質の気化熱（蒸発熱）を、表５に融解熱を示しました。
表４を見ますと、液体酸素や液体窒素を含めて、一般に液体の沸点における気化熱が数百のオーダーなのに、水の気化熱が異常に高いことが分かります。また、表５を見ますと、銅を例外として、他の液体や固体（金属）に比して水の融解熱（凍るときの凝固熱に等しい）が異常に大きいことが分かります。
つまり、水は蒸発しにくく、凍りにくい液体であることが分かります。
（熱伝導率）
上記の性質は水が如何に熱を蓄え易いかを示すものですが、最後に熱の伝え方について見てみましょう。表６に各種物質の熱伝導率を示しました。
熱伝導率の最も大きい銀をはじめとして、金属の熱伝導率が大きいのは私達の常識通りですが、水はアルコールのような液体に比して大きい熱伝導率を備えていることが分かります。また氷の熱伝導率が非常に大きいことが注目されます。寒い地方で子供達が雪にかまくらを掘り、その中で遊んでいますが、かまくらが冷たい外気を遮断してくれるのは雪が多量の空気を含んでいるからでしょう。
水は玉になりやすい
雨滴も水道の蛇口からぽたぽた漏れる水滴もみな玉になっています。これは水にできるだけその表面積を小さくするような力が働いているからです。この力を表面張力と言います。
（表面張力とは）
学生時代にかえったつもりで、表面張力とはどういうものか簡単に振り返ってみましょう。表面張力が生じるのは、液体分子に働く分子間引力（分子同士が引き合う力）が液体の表面と内部では違うからです。この関係を分かりやすいように平面図で、模式的に図６に示しました。
図で液体分子は円で示しました。図で着色した分子に着目してみます。内部の分子には左右上下共に等しく引力が働いています。しかし、表面の分子は左右および下方の分子と互いに引き合っていますが、上には引かれていません。このように表面の分子では内側に引かれる力が大きくなります。この引力のアンバランスが表面張力の元です。図６から分かるように、分子配置がどの液体でも同じとすると、分子間力が大きい液体ほど表面張力は大きくなります。
（水の表面張力）
それでは水の表面張力の大きさをを私達の身近にある他の液体と比べてみましょう。その結果を表８に示しました。（表面張力は、通常単位長さあたりの力で表します。）
水の表面張力はエタノール、ベンゼンなどの液体と比べて非常に大きいことが分かります。水分子の間に存在する水素結合により水分子が互いに大きな力で引き合っているからです。
身近のところで、水より表面張力が大きい液体は水銀ですが、水銀の表面張力が非常に大きいのは水銀原子が金属結合により強く結ばれているからです。溶融した鉛や鉄も同様の理由により大きな表面張力をもっています。
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0.06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℃、0.06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。
