水の科学・化学館①  


の異常性
 水は最も身近なありふれた液体で、温度、重さ、熱量(カロリー)の単位の基準に用いられていますが、とても変わった性質の物質です。この異常な物質である水によって地球上の生物は生きていけると言えます。

1.常温で液体として存在する

水の分子組成はH2Oで表わされ、分子量18の酸素と水素の化合物です。物質は一般的に分子量が大きくなるほど、固体から液体に変わる温度(融点)、液体から気体に変わる温度(沸点)が高くなります。ほぼ同じ分子量の水素化合物であるアンモニア(NH3 分子量17)やメタン(CH4 分子量16)は常温で気体ですし、同じ酸素族の硫黄(S)の水素化合物である硫化水素(H2S分子量34)は水より分子量が大きいのに常温では気体です。水が普通の物質なら常温では気体であるはずなのです。
また、液体として存在する範囲が0℃から100℃までと広いのも特記すべきことです。
2.固体が液体よりも軽い
通常、物質は液体から固体になると比重が重くなり、体積が小さくなります。ところが、水は4℃の時に比重が一番重く、固体(氷)になると約1割も軽くなります。このような物質は水以外にはありません。
 もし、この異常な物性がなければ、北極では冷たい水は下方へ移動し、やがて海底から氷ができ、年々氷は成長して魚が住めなくなってしまいます。地球上の全ての海底で氷が成長していき、やがて、氷の惑星になってしまうかもしれません。
また、岩の裂け目に入った水が凍結して徐々に岩を砕くことができなくなり、風化が起こりにくくなって、今とはまったく違った地形が形成されていたのかもしれません。

3.大きな比熱、蒸発熱
水は気体になる時に多くの熱(蒸発熱)を必要とします。また、水の比熱も大きいため、温度変化を起こしにくという性質があります。水は大気や大地と比較して温度変化が少ないことにより、地球上の気象現象が起こっているのです。また、水は保温性が高く、少量の水の蒸発により体温を調節できるため、生物にとって都合のよい物質であり、人間の体内で6割を占める物質となっています。まさに「命の水」と言えます。


と氷」の関係
 こおり Ice
 固体状態の水のこと。無色、透明で、結晶系は六方晶系(→ 結晶)、融点は0ーCである。
 天然の氷は陸では、池や湖などのほか、氷河や氷床、永久凍土層でみられる。海上では氷山、海氷、流氷などがみられる。また、大気中にも雪や雹といったかたちで存在している。

性質
 水が凍結して氷になると体積がふえるという性質は重要である。
 これは0ーCで水の比重が0.9998であるのに対して、氷の比重が0.9168であることからもわかる。そのため、氷は水に浮くのである。ふつうにみられる氷は、氷1とよばれるもので0ーC200気圧以下では安定した性質をもつ。
だが、さらに気圧が高くなると、氷は多形現象をしめし、いろいろな性質をもつようになる。そのような氷には、氷2〜氷9が知られており、これらは比重が水より大きいので水にしずむ氷である。
 一般に気圧が高くなると融点があがる。たとえば、2万気圧では融点が80ーC以上になり、「熱い氷」となる。
 水がこおると体積が膨張するという性質は、地質学においても重要である。地表の岩の小さなすきまに水がしみこみ、そこでこおると体積が膨張するために、岩はひびがはいったり、くだけたりする。浸食作用の多くが氷によるこの作用によっておこる。

水の凍り方
 水の凍り方はこのような水と氷の性質から説明できる。
 淡水の池や湖などでは、表面の水は冷やされるにつれて比重が大きくなり、底にしずんでゆく。すると、底のあたたかい水が表面にうつりそこでふたたび冷やされる。これをくりかえすと、水全体の温度が4ーC、つまりもっとも水の比重が大きい温度になる。
 さらに表面の水が冷やされ、4ーC以下になると、その比重は逆に小さくなる。すると冷たい水が表面にとどまるので、氷がはっていく。
 水が底からではなく、表面からこおってゆくのは、このような温度による比重の変化のためである。ところが、河川ではときどき氷が水の表面ではなく水中にできることがある。
 寒い冬の夜などに流れのはげしい川の表面が、非常に冷たい空気と接触して、0ーC以下にまで冷やされる。すると川の流れのために、このように過冷却された表面の水と底側のあたたかい水がまざって微細な針状または板状の氷の結晶が水中で生じ、スポンジ状の塊となる。この氷がながれていくにしたがって表面にうかんでくる。
 流れが緩やかになっているところでは氷結晶の塊が水中にとどまり、川の流れをせきとめ洪水をひきおこすこともある。
水中でできる氷のもうひとつの例としては、河床の岩の周りにできる底氷すなわちアンカーアイスがある。これは、さむい夜などに、よく冷えた河床の岩によってその周りを流れる水が冷やされ、こおりつく現象である。
 昼間太陽でこの岩があたためられると、アンカーアイスの塊は岩からはがれ、川の表面にうかんでくる。

氷山
 氷河や氷床の端が海におしだされ、割れてながれだした大きな氷の塊を氷山という。
 氷山のおよそ90%は海面下にしずんでいる。1987年には南極大陸で長さ158km、幅40km、厚さ230mの氷山が流出した。氷山は北極海や南極大陸ではふつうにみられるものであるが、海流にはこばれて北大西洋などの緯度の低い海域でみられることもしばしばある。
 1912年にタイタニック号がカナダのニューファンドランド沖で氷山と衝突して沈没したあとアメリカの沿岸警備隊をふくむ、北大西洋氷山パトロールが16カ国の協力のもとにつくられた。
 現在でも、国際氷山監視機構が氷山のあとをおい、その位置を船に知らせている。

水の量
地球は水の惑星です。地球上の生物が生きていけるのも水のお陰です。

地球には約14億km3の水があると言われています。この内、約97%が海水で、淡水は3%だけです。この淡水の大部分は北極や南極にある氷となっていますから、私たちが利用することができる川・湖の水や地下水は地球上の水のわずか0.3%に過ぎません。

 日本は世界でも有数の多雨地域に位置し、年平均降水量は1714mm(S41〜H7平均)もあり、世界の年平均降水量970mmの2倍近くに達しています。

一方、全降水量を人口で割った人口1人当たりの平均降水総量をみると、5200m3/年・人となり、世界平均の27000m3/年・人の5分の1しかありません。日本は中東のサウジアラビアやイランよりも少なく、必ずしも水の豊かな国とは言えません。

 さらに、降雨は梅雨や台風によるものが多く、地形が急峻で河川延長が短い我が国では、かなりの部分が利用されずに海に流出してしまい、水を利用しにくい状況にあります。


世界各国の降水量の比較

日本の水資源(平成8年度版)より


 と 水  
 水は化学式H2Oであり、大きさ1Å(オングストローム=10−10m)程度の、水素原子2個と酸素原子1個からなる分子であるが、酸素原子のほうが大きい。原子が大きいということは、電子を多く持っていることにほかならず、この酸素原子のまわりには電子が光速に近い速さで回っているのだが、水素原子に束縛されない自由な電子が存在していて、隣の水分子の水素原子と「はかない関係」を持つようになる。これを水素結合と化学の分野では呼ぶのだが、この水素結合によって水分子は数個の分子が集団で動くようになる。これをクラスター(ぶどうの房の意)と呼び、これが前述の酒のまろやかさと関係している。

 さてアルコール分子はC
OHと表現される構造をしていて、水酸基(−OH)が分子の端にくっついている(C:炭素原子)。このアルコールの水酸基がむきだしに近い状態で酒に含まれていると、舌先にピリッとする刺激を与えると言われている。従って、この水酸基に近い空間を単独の水分子で埋めた状態の酒がまろやかな舌ざわりを与えるようになる。酒では、この状態になるのに10年〜20年かかる場合があり、“寝かす”という表現をし、年代物にはプレミアがつく。

 通常クラスターを形成している水分子の塊は大き過ぎて、アルコール水酸基の周りに入り込めない。たかが水に外部からエネルギーを与えると水素結合が切れて単分子の水分子が増加する。この与えるエネルギーとしては、電場,磁場,遠赤外等様々あり、いずれもその効果が確認されている。この状態の水を『活性水』または『機能水』と呼び、食品製造メーカーのみならず、医療分野で消毒用または薬剤の溶媒に活用し、農業分野で日持ちの良い野菜類の生産に活用し、畜産分野では家畜の飲み水として使用し、牛,馬等の病気予防に、また糞尿の悪臭防止に活用している。

 酒造メーカーが、この機能水を活用して酒をつくり、まろやかな酒つくりを達成していることが報告されている。20年ものの酒も1年でつくれることになる訳だが、“たかが水”、この理論はあまり信用されなくて、活用しているメーカー,病院,農家も多くない。“たかが水、されど水”なのである。


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