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| 名前 | |||
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| 推奨されるIUPAC名
水 | |||
| 体系的なIUPAC名
オキシダン（一般的には使用されていない）[3] | |||
その他の名前
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| 識別子 | |||
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3Dモデル（JSmol）
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| 3587155 | |||
| チェビ |
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| チェムBL |
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| ケムスパイダー |
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| ドラッグバンク |
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| EC番号 |
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| 117 | |||
| ケッグ |
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パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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| プロパティ | |||
| H 2お | |||
| モル質量 | 18.01528(33) グラム/モル | ||
| 外観 | ほぼ無色または白色の結晶性固体、わずかに青みがかったほぼ無色の液体、無色の気体[4] | ||
| 臭い | 無臭 | ||
| 密度 |
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| 融点 | 0.00 °C (32.00 °F; 273.15 K) [b] | ||
| 沸点 | 99.98 °C (211.96 °F; 373.13 K) [17] [b] | ||
| 溶解度 | ハロアルカン、脂肪族および芳香族炭化水素、エーテルには溶けにくい。[ 8] カルボキシレート、アルコール、ケトン、アミン には溶解性が向上する。メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、アセトン、グリセロール、1,4-ジオキサン、テトラヒドロフラン、スルホラン、アセトアルデヒド、ジメチルホルムアミド、ジメトキシエタン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリルとは混和性がある。 ジエチルエーテル、メチルエチルケトン、ジクロロメタン、酢酸エチル、臭素とは部分的に混和性がある。 | ||
| 蒸気圧 | 3.1690キロパスカルまたは25℃で0.031276気圧[9] | ||
| 酸性度（p Ka） | 13.995 [10] [11] [a] | ||
| 塩基度(p K b ) | 13.995 | ||
| 共役酸 | ヒドロニウムH 3 O + (pKa = 0) | ||
| 共役塩基 | 水酸化物OH – (pK b = 0) | ||
| 熱伝導率 | 0.6065 W/(m·K) [14] | ||
屈折率( n D )
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1.3330（20℃）[15] | ||
| 粘度 | 0.890 mPa·s (0.890 cP ) [16] | ||
| 構造 | |||
| 六角 | |||
| C 2v | |||
| 曲がった | |||
| 1.8546デー[18] | |||
| 熱化学 | |||
熱容量 ( C )
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75.385 ± 0.05 J/(mol・K) [17] | ||
標準モル
エントロピー ( S ⦵ 298 ) |
69.95 ± 0.03 J/(モル·K) [17] | ||
標準生成エンタルピー (Δ f H ⦵ 298 ) |
−285.83 ± 0.04 kJ/mol [8] [17] | ||
ギブスの自由エネルギー (Δ f G ⦵ )
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−237.24 kJ/モル[8] | ||
| 危険 | |||
| 労働安全衛生（OHS/OSH）： | |||
主な危険
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溺死 雪崩（雪崩） 水中毒 | ||
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |||
| 引火点 | 不燃性 | ||
| 安全データシート（SDS） | 安全データシート | ||
| 関連化合物 | |||
その他の陰イオン
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関連溶剤
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| 補足データページ | |||
| 水（データページ） | |||
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
 確認する （何ですか ？）
 インフォボックス参照
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水（H 2 O）は極性無機化合物で、室温では無味無臭の液体で、わずかに青みがかった色以外はほぼ無色です。これまでで最も研究されている化合物であり[20]、「万能溶媒」[21]や「生命の溶媒」[22 ]と呼ばれています。地球の表面で最も豊富な物質であり[23] 、地球の表面で固体、液体、気体として存在する唯一の一般的な物質です。[24]また、宇宙で3番目に豊富な分子でもあります（分子状水素と一酸化炭素に次ぐ）。[23]
水分子は互いに水素結合を形成し、強い極性を持っています。この極性により、塩のイオンを解離し、アルコールや酸などの他の極性物質と結合して溶解することができます。水素結合により、水は、固体の密度が液体の密度よりも低い、モル質量に対して沸点が100 °C と比較的高い、熱容量が高いなど、多くのユニークな特性を持っています。
水は両性であり、溶液のpHに応じて酸または塩基の性質を示すことができる。水は容易にHとHの両方を生成する。+
そしてOH−
[c]両性イオンの性質に関連して、自己イオン化を起こします。活動の積、またはおおよそHの濃度+
そしてOH−
は定数なので、それぞれの濃度は互いに反比例する。[25]
物理的特性
水は化学式Hの化学物質である。
2O ; 1分子の水には、1つの酸素原子に共有結合した2つの水素 原子があります。 [26]水は常温常圧では無味無臭の液体です。液体の水は、約750 nmの波長に弱い吸収帯があり、青く見えます。 [4]これは、内張りが白い水を満たした浴槽や洗面器で簡単に観察できます。氷河などの大きな氷の結晶も青く見えます。
標準条件下では、水は主に液体であり、一般的に気体である酸素族の他の類似の水素化物とは異なります。水のこのユニークな特性は水素結合によるものです。水分子は常に互いを中心に運動しており、水素結合は200フェムト秒（2×10−13秒）よりも速い時間スケールで絶えず切断と再形成を行っています。 [ 27]しかし、これらの結合は水の特異な特性の多くを生み出すのに十分な強さがあり、そのいくつかは水を生命に不可欠なものにしています。
水、氷、蒸気
地球の大気と地表では、液体の相が最も一般的で、一般に「水」という言葉で示される形態です。固体の水は氷と呼ばれ、一般的には角氷のような固い融合結晶、または雪のような緩く集積した粒状結晶の構造をとります。一般的な六方晶氷の他に、他の結晶相や非晶質相の氷が知られています。気体の水は水蒸気（または蒸気）と呼ばれます。目に見える蒸気や雲は、空気中に浮遊する微細な水滴から形成されます。
水は超臨界流体も形成する。臨界温度は647 K、臨界圧力は22.064 MPaである。自然界では、これは極めて過酷な条件でのみ稀に発生する。自然界で超臨界水が発生する可能性のある例としては、深海の熱水噴出孔の最も熱い部分が挙げられる。この部分では、水は火山の 噴煙によって臨界温度まで加熱され、臨界圧力は噴出孔がある極深度の海の重さによって発生する。この圧力は、約2200メートルの深さで達する。これは、海の平均深度（3800メートル）よりもはるかに浅い。[28]
熱容量と蒸発熱および融解熱
水は、20℃で4184 J/(kg·K)（25℃で4182 J/(kg·K)）という非常に高い比熱容量を持ち、これはヘテロ原子種の中ではアンモニアに次いで2番目に高い値である。また、蒸発熱も高く（常温で40.65 kJ/molまたは2257 kJ/kg）、どちらも分子間の広範な水素結合の結果である。この2つの珍しい特性により、水は気温の大きな変動を緩和し、地球の気候を和らげることができる。 1970年以降に気候システムに蓄えられた追加エネルギーのほとんどは、海洋に蓄積されている。[29]
水の比融解エンタルピー（より一般的には潜熱として知られている）は、0 °C で 333.55 kJ/kg です。氷を溶かすのに必要なエネルギー量は、氷を -160 °C から融点まで温める場合、または同じ量の水を約 80 °C 加熱する場合と同じです。一般的な物質の中では、アンモニアのみがこれよりも高い値です。この特性により、氷河や流氷の氷は溶けにくくなります。機械的冷凍の出現以前もそれ以降も、氷は食品の腐敗を遅らせるために一般的に使用されていましたし、現在も使用されています。
氷の比熱容量は−10℃で2030 J/(kg·K) [30]であり、蒸気の比熱容量は100℃で2080 J/(kg·K) [31]である。
水と氷の密度
.svg/500px-Density_of_ice_and_water_(en).svg.png)
水の密度は1立方センチメートルあたり約1グラム（62ポンド/立方フィート）で、この関係はもともとグラムを定義するために使用されていました。[32]密度は温度とともに変化しますが、直線的ではありません。温度が上昇すると、密度は3.98℃（39.16℉）でピークに達し、その後減少します。[33]ほとんどの液体は熱膨張するため、密度は温度の関数としてのみ減少するため、最初の増加は異常です。水が0℃（32℉）から3.98℃（39.16℉）まで増加し、他のいくつかの液体でも増加が観察されます[d]は、負の熱膨張と呼ばれます。通常の六角形の氷も液体の水よりも密度が低く、凍結すると水の密度は約9％減少します。[36] [e]
これらの特異な効果は、水素結合を介した水分子の非常に方向性のある結合によるものである。低温の氷と液体の水は、比較的低密度で低エネルギーの開いた格子構造を持っている。0～4℃の範囲で温度が上昇すると、融解時に水素結合が切断され、格子空洞の一部が水分子で満たされ、より高密度の分子パッキングが可能になる。[33] [37]しかし、4℃を超えると、熱膨張が支配的な効果となり、[37]沸点（100℃）近くの水は、4℃（39℉）の水よりも約4％密度が低くなる。[36] [f]
圧力が増加すると、氷は氷II、氷III、高密度非晶質氷（HDA）、超高密度非晶質氷（VHDA）など、液体の水よりも密度の高い他の多形へと変化します。[38] [39]
氷の密度曲線の異常と水より低い密度は、地球上の多くの生命にとって不可欠である。水の密度が氷点で最も高くなると、冬には表面の冷却によって対流混合が起こる。0 °Cに達すると、水域は下から凍り、そこにいるすべての生命が死滅する。[36]さらに、水は優れた断熱材であるため（熱容量のため）、一部の凍った湖は夏に完全に解けない可能性がある。[36]現状では、密度曲線の逆転により、表面温度が4 °C未満では安定した層構造となり、その上に浮かぶ氷の層が下の水を断熱するため、[40]たとえば中央シベリアのバイカル湖でさえ、冬には約1 mの厚さでしか凍らない。一般に、十分に深い湖では、底の温度は年間を通じて約4 °C（39 °F）で一定に保たれる（図を参照）。[36]
塩水と氷の密度
.png/500px-Annual_mean_sea_surface_sea_water_density_(World_Ocean_Atlas_2009).png)
海水の密度は、溶解した塩分と温度によって決まります。氷は海に浮いていますが、そうでなければ、海底から凍っていくでしょう。しかし、海の塩分は凝固点を約1.9℃下げ[41] （溶質を含む溶媒の凝固点降下による）、水の密度が最大となる温度を以前の凝固点である0℃まで下げます。これが、海水では、凝固点近くで水が冷たくなっても、冷たい水の下向きの対流が膨張によって妨げられない理由です。凝固点近くの海の冷たい水は沈み続けます。そのため、北極海のような冷たい海の底に生息する生物は、一般的に、凍った淡水湖や川の底よりも4℃冷たい水の中で生息しています。
海水の表面が凍り始めると（通常の塩分濃度の海水の場合、-1.9 °C [41]、3.5%）、形成される氷は本質的に塩分を含まず、密度は淡水の氷とほぼ同じです。この氷は表面に浮かび、「凍結した」塩分は、そのすぐ下の海水の塩分濃度と密度を高めます。このプロセスは、塩水排除と呼ばれます。この密度の高い海水は対流によって沈み、入れ替わる海水も同じプロセスを経ます。これにより、表面に-1.9 °C [41]の本質的に淡水の氷が生成されます。形成される氷の下の海水の密度が増加すると、海水は底に向かって沈みます。大規模な塩水排除と冷たい塩水の沈降プロセスにより、海流が形成され、そのような水が極地から運び去られ、熱塩循環と呼ばれる地球規模の海流システムが形成されます。
混和性と凝縮
水は多くの液体と混ざり合い、エタノールもあらゆる割合で混ざります。水とほとんどの油は混ざり合わず、通常は上から密度が増加する層を形成します。これは極性を比較することで予測できます。比較的極性のある化合物である水は、エタノールやアセトンなどの極性の高い液体と混ざり合う傾向がありますが、極性の低い化合物は炭化水素などと混ざり合わず溶解しにくい傾向があります。
気体である水蒸気は、空気と完全に混ざります。一方、特定の温度で液体（または固体）と熱力学的に安定する最大水蒸気圧は、全大気圧に比べて比較的低くなります。たとえば、蒸気の部分圧が大気圧の 2% で、空気が 25 °C から冷却されて約 22 °C になると、水が凝縮し始め、露点が定義され、霧または露が発生します。朝に霧が燃え尽きるのは、逆のプロセスによるものです。室温で、たとえば熱いシャワーやお風呂に入るなどして湿度が上昇し、温度がほぼ同じままであれば、蒸気はすぐに相変化の圧力に達し、次に一般に蒸気と呼ばれる微細な水滴として凝縮します。
飽和気体または相対湿度 100% の気体とは、空気中の水の蒸気圧が (液体の) 水による蒸気圧と平衡状態にある気体です。水 (または十分に冷たい場合は氷) は、飽和空気にさらされても蒸発による質量の減少は起こりません。空気中の水蒸気の量が少ないため、相対湿度 (水蒸気による分圧と飽和分圧の比) の方がはるかに有用です。相対湿度が 100% を超える蒸気圧は過飽和と呼ばれ、上昇気流で急上昇するなどして空気が急速に冷却された場合に発生することがあります。[g]
蒸気圧
圧縮性
水の圧縮率は圧力と温度の関数です。0℃、つまり圧力ゼロの限界では、圧縮率は5.1 × 10 −10 Pa −1。圧力ゼロの限界では、圧縮率は最小値に達する。45℃付近で4.4 × 10 −10 Pa −1となり、その後温度が上昇するにつれて再び増加する。圧力が増加すると圧縮率は減少し、0℃、100メガパスカル（1,000バール）では3.9 × 10 −10 Pa −1である。 [42]
水の体積弾性率は約2.2GPaである。[43]非気体、特に水の圧縮率が低いため、非圧縮性であるとみなされることが多い。水の圧縮率が低いということは、水深4kmの深海でも圧力が40MPaであるにもかかわらず、体積の減少はわずか1.8%であることを意味する。[43]
水氷の体積弾性率は0Kで11.3GPaから273Kで8.6GPaまでの範囲です。[44]温度の関数としての氷の圧縮率の大きな変化は、他の一般的な固体と比較して氷の熱膨張係数が比較的大きいことに起因します。
三点
通常の固体、液体、気体の水が平衡状態で共存する温度と圧力を水の三重点という。1954年以来、この点は温度の基本単位であるケルビンを定義するために使用されてきたが[ 45] [46]、2019年からはケルビンは水の三重点ではなくボルツマン定数を使用して定義されるようになった。[47]
氷には多くの多形（形態）が存在するため、水には他の三重点があり、3つの氷の多形、または2つの氷と液体の多形が平衡状態にある。[46]ゲッティンゲンの グスタフ・ハインリッヒ・ヨハン・アポロン・タマンは、20世紀初頭に他のいくつかの三重点に関するデータを作成しました。カンブらは1960年代にさらに三重点を記録しました。[48] [49] [50]
融点
氷の融点は標準圧力で 0 °C (32 °F; 273 K) ですが、純粋な液体の水は、液体が機械的に乱されない限り、凍結することなくその温度よりはるかに低い温度まで過冷却することができます。水は、均質核形成点である約 231 K (-42 °C; -44 °F)まで流体状態を維持できます。 [52]通常の六方晶氷の融点は、中程度の高圧下では、水素結合の安定化エネルギーが分子間反発力によって超過するため、0.0073 °C (0.0131 °F)/atm [h]または約0.5 °C (0.90 °F)/70 atm [i] [53]だけわずかに低下しますが、209.9 MPa (2,072 atm) を超えると氷が多形（氷の結晶状態を参照）に変化するため、融点は圧力とともに著しく上昇し、2.216 GPa (21,870 atm) で355 K (82 °C) に達します（氷VIIの三重点[54]）。
電気的特性
電気伝導性
外因性イオンを含まない純水は優れた電子絶縁体ですが、「脱イオン」水でさえ完全にイオンを含まないわけではありません。水は液体状態では2つの水分子が1つの水酸化物アニオン（OH）を形成すると自動イオン化を起こします。−
）と１つのヒドロニウムカチオン（H
3お+
自己イオン化のため、常温では純粋な液体の水は半導体ゲルマニウムと同等の固有電荷キャリア濃度を持ち、半導体シリコンよりも3桁大きい固有電荷キャリア濃度を持ちます。そのため、電荷キャリア濃度に基づくと、水は完全な誘電体または電気絶縁体ではなく、イオン電荷の限られた伝導体であると考えられます。[55]
水は優れた溶媒であるため、ほとんどの場合、何らかの溶質（多くの場合、塩）が溶けています。水にそのような不純物がほんの少しでも含まれていれば、イオンが電荷を行き来できるため、水ははるかに容易に電気を伝導できるようになります。
水の理論的な最大電気抵抗率は、25℃で約18.2 MΩ·cm（182 kΩ ·m）であることが知られています。 [56]この数値は、半導体製造工場などで使用されている逆浸透、超濾過、脱イオン化された超純水システムで一般的に見られる数値とよく一致しています。塩分や酸の汚染物質のレベルが100 pptを超えると、超純水の抵抗率は最大数kΩ·m低下し始めます。[要出典]
純水では、高感度機器は25.00 °Cで0.05501 ± 0.0001 μS / cmという非常にわずかな電気伝導率を検出できます。 [56]水は酸素と水素ガスに電気分解することもできますが、溶解したイオンがない場合、非常に小さな電流しか伝導しないため、これは非常に遅いプロセスです。氷では、主な電荷キャリアはプロトンです（プロトン伝導体を参照）。[57]氷は以前は1 × 10氷の電気伝導率は約−10 S/cmであるが、現在ではこの電気伝導率はほぼ完全に表面欠陥によるものだと考えられており、表面欠陥がなければ氷は測定できないほど小さな電気伝導率を持つ絶縁体となる。 [33]
極性と水素結合
水の重要な特徴は、その極性である。構造は、酸素頂点からの2つの水素のために曲がった分子形状をしている。酸素原子はまた、2つの孤立電子対を持っている。孤立電子対に起因すると通常考えられている効果の1つは、H-O-H気相の曲がり角が104.48°であり、[58]これは典型的な四面体角109.47°よりも小さいことである。孤立電子対は、水素にシグマ結合した電子よりも酸素原子に近いため、より多くのスペースを必要とする。孤立電子対の反発が増加すると、O-H結合が互いに近づく。[59]
水の構造から生じるもう一つの結果は、水が極性分子であるということです。電気陰性度の差により、結合双極子モーメントは各HからOに向かい、酸素は部分的に負に、各水素は部分的に正になります。大きな分子双極子は、2つの水素原子の間の領域から酸素原子に向かいます。電荷の差により、水分子は凝集します（相対的に正の領域は相対的に負の領域に引き寄せられます）。この引力、つまり水素結合は、水の溶媒特性など、水の多くの特性を説明しています。[60]
水素結合は水分子自体の共有結合に比べると比較的弱い引力ですが、水の物理的特性のいくつかに関係しています。これらの特性には、比較的高い融点と沸点が含まれます。水分子間の水素結合を切断するには、より多くのエネルギーが必要です。対照的に、硫化水素（H
2S ）は、硫黄の電気陰性度が低いため、水素結合が非常に弱い。H
2硫化水素は水の約 2 倍のモル質量を持つにもかかわらず、Sは室温では気体です。水分子間の余分な結合により、液体の水は大きな比熱容量も持ちます。この高い熱容量により、水は優れた蓄熱媒体 (冷却剤) および熱シールドになります。
凝集力と接着力
水分子は、水分子間の水素結合の集合的作用により、互いに接近した状態（凝集性）を保っています。これらの水素結合は絶えず切断され、異なる水分子との新しい結合が形成されますが、液体の水のサンプルでは、常に分子の大部分がこのような結合によって保持されています。[61]
水は極性があるため、接着性も高い。ガラスと水分子の間の分子間力（接着力）が凝集力よりも強いため、きれいな滑らかなガラス上では水が薄い膜を形成することがある。 [要出典]生物細胞と器官では、水は親水性の膜やタンパク質表面、つまり水に強く引きつけられる表面と接触している。アーヴィング・ラングミュアは親水性表面間の強い反発力を観察していた。親水性表面を脱水する、つまり強く保持された水和水層を除去するには、水和力と呼ばれるこれらの力に逆らってかなりの作業を行う必要がある。これらの力は非常に大きいが、1ナノメートル以下では急速に減少する。[62]これらは生物学において、特に細胞が乾燥大気にさらされたり細胞外凍結によって脱水されるときに重要である。[63]
表面張力
水は25℃で71.99mN/mという異常に高い表面張力を持っています[64]。これは水分子間の水素結合の強さによるものです[65 ] 。これにより昆虫は水の上を歩くことができます[65] 。
毛細管現象
水は強い凝集力と接着力を持っているため、毛細管現象を起こします。[66]水素結合と接着による強い凝集力により、樹木は水を100メートル以上上方に運ぶことができます。[65]
溶媒としての水
水は誘電率が高いため、優れた溶媒です。 [67]水によく混ざり、水に溶ける物質は親水性（「水を好む」）物質として知られ、水によく混ざらない物質は疎水性（「水を嫌う」）物質として知られています。[68]物質が水に溶ける能力は、水分子が他の水分子間に生成する強い引力に匹敵するか、それを上回ることができるかどうかによって決まります。物質がこれらの強い分子間力を克服できない特性を持っている場合、分子は水から沈殿します。一般的な誤解に反して、水と疎水性物質は「反発」せず、疎水性表面の水和はエネルギー的には有利ですが、エントロピー的には有利ではありません。
イオン性または極性化合物が水に入ると、水分子に囲まれます（水和）。水分子のサイズが比較的小さい（約 3 オングストローム）ため、多くの水分子が 1 つの溶質分子を取り囲むことができます。水の部分的に負の双極子端は、溶質の正に帯電した成分に引き付けられ、正の双極子端の場合はその逆になります。
一般に、酸、アルコール、塩などのイオン性および極性物質は水に比較的溶けやすく、脂肪や油などの非極性物質は溶けにくいです。非極性分子が水中に留まるのは、水分子が非極性分子とファンデルワールス相互作用を起こすよりも、互いに水素結合する方がエネルギー的に有利だからです。
イオン性溶質の例としては食塩が挙げられます。塩化ナトリウムNaClはNa+
陽イオンとCl−
陰イオンはそれぞれ水分子に囲まれています。イオンは結晶格子から簡単に溶液中に運ばれます。非イオン性溶質の例としては、砂糖があります。水の双極子は砂糖分子の極性領域（OH基）と水素結合を形成し、砂糖を溶液中に運び去ることができます。
量子トンネル効果
水中の量子トンネル効果のダイナミクスは、1992年に早くも報告されている。当時、置換基水モノマーの内部回転によって弱い水素結合を破壊し、再生する動きがあることが知られていた。[69] 2016年3月18日には、水六量体における量子トンネル効果によって水素結合を切断できることが報告された。これまでに報告された水中のトンネル効果とは異なり、これは2つの水素結合の協調切断を伴っていた。[70]同年後半には、水分子の量子トンネル効果の発見が報告された。[71]
電磁吸収
水は可視光線、近紫外線、遠赤外線に対しては比較的透明ですが、紫外線、赤外線、マイクロ波のほとんどを吸収します。ほとんどの光受容体と光合成色素は、水をよく透過する光スペクトルの部分を利用します。電子レンジは、マイクロ波放射に対する水の不透明さを利用して、食品内の水を加熱します。水が明るい青色になるのは、可視光線の赤色部分の吸収が弱いためです。[4] [72]
構造
1 つの水分子は、酸素の孤立電子対を使用して 2 つの結合を受け入れ、2 つの水素原子を供与できるため、最大 4 つの水素結合に参加できます。フッ化水素、アンモニア、メタノールなどの他の分子も水素結合を形成できます。ただし、これらの分子は、水で観察されるような異常な熱力学的、運動学的、または構造的特性を示しません。これは、これらの分子のいずれも 4 つの水素結合を形成できないためです。水素原子を供与または受容できないか、かさ高い残基に立体効果があります。水中では、4 つの水素結合により分子間四面体構造が形成され、それによって開放構造と 3 次元結合ネットワークが形成され、4 °C 以下に冷却されると密度が異常に低下します。この繰り返される、常に再編成される単位は、液体全体に広がる 3 次元ネットワークを定義します。この見解は中性子散乱研究とコンピューター シミュレーションに基づいており、氷構造内の水分子の明確な四面体配置を考慮すると納得できます。
しかし、水の構造については別の理論がある。2004年、ストックホルム大学から出された物議を醸した論文では、液体状態の水分子は通常4つではなく2つの分子と結合し、鎖や環を形成すると示唆された。「水の弦理論」（物理学の弦理論と混同しないように）という造語が作られた。これらの観察は、個々の酸素原子の局所環境を調べたX線吸収分光法に基づいていた。[73]
分子構造
2つの孤立電子対が酸素原子に及ぼす反発効果により、水は直線ではなく曲がった分子構造になり、[74]極性を持つことができます。水素-酸素-水素の角度は104.45°で、理想的なsp3混成の109.47°よりも小さくなります。原子価結合理論による説明では、酸素原子の孤立電子対は物理的に大きいため、酸素原子と水素原子の結合よりも多くのスペースを占めます。[75]分子軌道理論による説明（ベントの法則）によれば、酸素原子の非結合混成軌道のエネルギーを下げ（s性を高めてp性を低くすることで）、それに応じて水素原子に結合した酸素原子の混成軌道のエネルギーを上げる（p性を高めてs性を低くすることで）と、占有分子軌道のエネルギーを下げるという効果が得られる。これは、酸素原子の非結合混成軌道のエネルギーは酸素原子の孤立電子対のエネルギーに完全に寄与するのに対し、酸素原子の他の2つの混成軌道のエネルギーは結合軌道のエネルギーに部分的にしか寄与しない（寄与の残りは水素原子の1s軌道による）ためである。
化学的性質
自己イオン化
液体の水では自己イオン化が起こり、ヒドロニウムイオンと水酸化物イオンが生成されます。
- 2時間
2O ⇌ H
3お+
+ああ−
この反応の平衡定数は水のイオン積として知られ、その値は約10である。−14 25 °Cで。中性pHでは、水酸化物イオン（ OH−
）は（溶媒和）水素イオン（H+
）であり、 25℃では10 −7 mol L −1に近い値を示す。 [76]他の温度での値については
データページを参照。
![{\displaystyle K_{\rm {w}}=[{\rm {H_{3}O^{+}}}][{\rm {OH^{-}}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/86dca39006c4f875cacc14395c7ff6e38a09d990)
熱力学的平衡定数は、水を含むすべての生成物と反応物の熱力学的活性の商です。
しかし、希薄溶液の場合、H 3 O +やOH −などの溶質の活量はその濃度で近似され、溶媒H 2 Oの活量は1で近似されるため、単純なイオン積が得られる。
![{\displaystyle K_{\rm {eq}}\approx K_{\rm {w}}=[{\rm {H_{3}O^{+}}}][{\rm {OH^{-}}}]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/8c479a6b2710d07dd3952fcc072550c0e8537e70)
地球化学
長期間にわたる水による岩石への作用は、通常、風化と水による浸食、つまり固体の岩石と鉱物を土と堆積物に変える物理的プロセスにつながりますが、特定の条件下では水との化学反応も起こり、交代作用または鉱物の水和、つまり粘土鉱物を生成する岩石の化学的変化の一種を引き起こします。これは、ポルトランドセメントが硬化するときにも発生します。
氷は、その広い結晶格子に埋め込まれるさまざまな小さな分子と、クラスレート水和物と呼ばれるクラスレート化合物を形成できます。これらの最も有名なものは、メタンクラスレート、4 CHです。
4·23時間
2O は、海底に自然に大量に存在します。
自然界の酸性度
雨は一般的に弱酸性で、二酸化炭素よりも強い酸が含まれていない場合、pHは5.2〜5.8です。[77]空気中に多量の窒素酸化物と硫黄酸化物が存在する場合、それらも雲や雨滴に溶解し、酸性雨が発生します。
同位体異性体
水素と酸素の両方に複数の同位体が存在し、水の同位体同位体がいくつか知られています。ウィーン標準平均海洋水は、現在の水の同位体の国際標準です。天然に存在する水は、ほぼ完全に中性子のない水素同位体である水素水素です。重水素（2
HまたはD）、中性子1個を持つ水素同位体であり、20京分未満にはトリチウム（3
HまたはT）は中性子を2つ持っています。酸素には3つの安定同位体があり、16
Oは99.76%に存在し、17
Oは0.04％、18
水分子の0.2％にOが含まれています。 [78]
重水素酸化物、D
2Oは、密度が高いため重水とも呼ばれます。原子炉では中性子減速材として使用されます。トリチウムは放射性で、半減期は4500 日です。THOは自然界にごく微量しか存在せず、主に大気中の宇宙線誘発核反応によって生成されます。1 つのプロチウムと 1 つの重水素原子を含む水HDOは、通常の水中に低濃度 (約 0.03%) で自然に存在し、D
2O ははるかに低い量（0.000003%）であり、そのような分子は原子が再結合する際に一時的なものとなります。
Hの最も顕著な物理的差異は
2OとD
2O は、単純な比質量の違い以外にも、凍結や沸騰、その他の運動効果など、水素結合の影響を受ける特性に関係している。これは、重水素の原子核が陽子の2倍重いため、結合エネルギーに顕著な違いが生じるためである。沸点の違いにより、同位体を分離することができる。Hの自己拡散係数は、
225℃でのOはDの値より23%高い
2O . [79]水分子は互いに水素原子を交換するため、低純度の重水では純粋な一酸化二水素Dよりも重水素（DOH）の方がはるかに一般的です。
2お。
純粋に単離されたDの摂取
2O は生化学的プロセスに影響を及ぼす可能性があり、大量に摂取すると腎臓や中枢神経系の機能に障害をきたす。少量であれば悪影響なく摂取できる。人間は一般的に味の違いに気付かないが[80]、灼熱感[81]や甘い味[82]を感じることがある。毒性が明らかになるには、非常に大量の重水を摂取する必要がある。しかし、ネズミは匂いで重水を避けることができ、多くの動物にとって重水は有毒である。[83]
軽水とは、重水素含有量が標準の155 ppmレベル以下に低減された重水素減少水 (DDW) を指します。
発生
水は地球表面で最も豊富な物質であり、また宇宙ではHに次いで3番目に豊富な分子でもある。
2およびCO。[23]地球の質量の0.23 ppmは水であり、地球上の水量1.38 × 10の97.39%は水です。9 km 3 は海洋中に存在します。 [84]
水は、太陽系の外縁部、つまり霜線と呼ばれる地点を越えたところでは、はるかに多く存在し、その地点では太陽からの放射が弱すぎて、固体や液体の水（およびメタンやアンモニアなどの比較的融点の低い他の元素や化合物）を蒸発させることができない。太陽系の内縁部では、惑星、小惑星、衛星はほぼ完全に金属とケイ酸塩でできていた。それ以来、水は未知のメカニズムによって太陽系の内縁部に運ばれてきたが、そのメカニズムは、はるかに多くの水氷を含む外縁部から水を運んできた小惑星や彗星の衝突ではないかと理論づけられている。[85]霜線の内側と外側にある惑星の違いは顕著である。地球の質量の0.000023%は水であるが、土星の衛星テティスはほぼ完全に水でできている。[86]
反応
酸塩基反応
水は両性である。化学反応において酸としても塩基としても作用する能力がある。 [87]ブレンステッド・ローリーの定義によれば、酸は陽子（H+
）供与体であり、塩基はプロトン受容体である。[88]より強い酸と反応する場合、水は塩基として作用し、より強い塩基と反応する場合、水は酸として作用する。[88]例えば、水はH+
塩酸が形成されるときにHClからイオンが生成します。
- +⇌H
3お+
+クリア−
アンモニアとの反応では、NH
3水はHを供給します+
イオンとなり、酸として作用します。
- +⇌ NH+
4+ああ−
水中の酸素原子は 2 つの孤立電子対を持っているため、水はルイス酸との反応においてルイス塩基、つまり電子対供与体として働くことが多いが、ルイス塩基とも反応して、電子対供与体と水の水素原子の間に水素結合を形成することもある。HSAB理論では、水は弱い硬酸と弱い硬塩基の両方として説明されており、つまり、水は他の硬種と優先的に反応する。
- +→ほ
3お+ - +→ Fe( H
2お）3+
6 - +→ Cl( H
2お）−
6
弱酸または弱塩基の塩を水に溶かすと、水は塩を部分的に加水分解し、対応する塩基または酸を生成します。これにより、石鹸と重曹の水溶液のpH は基本的になります。
- ナ
2CO の
3+ H
2O ⇌ NaOH + NaHCO
3
配位子化学
水はルイス塩基の性質を持つため、遷移金属錯体ではよく使われる配位子であり、その例としてはFe (H
2O)2+
6過レニウム酸は、レニウム中心に配位した2つの水分子を含む。固体水和物では、水は配位子になるか、単にフレームワーク内に留まるか、またはその両方になる。したがって、FeSO
4·7時間
2Oは[Fe 2 (H 2 O) 6 ] 2+中心と1つの「格子水」から構成されています。水は典型的には単座配位子であり、中心原子と1つの結合のみを形成します。 [89]
有機化学
水は硬い塩基であるため、有機カルボカチオンと容易に反応します。例えば、水和反応では、ヒドロキシル基（OH−
) と酸性プロトンが、炭素-炭素二重結合で結合した 2 つの炭素原子に付加され、アルコールが生成されます。有機分子に水を加えることで分子が 2 つに切断されると、加水分解が発生すると言われています。加水分解の顕著な例としては、脂肪の鹸化、タンパク質と多糖類の消化があります。水は、 S N 2 置換反応やE2 脱離反応の脱離基になることもあり、後者は脱水反応として知られています。
酸化還元反応における水
水には酸化状態+1の水素と酸化状態-2の酸素が含まれています。[90]水は水素化物、アルカリ金属、一部のアルカリ土類金属などの化学物質を酸化します。 [91] [92]アルカリ金属が水と反応する例を1つ示します。[93]
- 2Na + 2H
2O → H
2+ 2ナ+
+ 2 OH−
アルミニウムやベリリウムなどの他の反応性金属も水によって酸化されますが、その酸化物は金属に付着して受動的な保護層を形成します。[94]鉄の錆びは鉄と水の間の反応ではなく、水に溶けた鉄と酸素の間の反応であることに注意してください。 [95]
水は酸化されて酸素ガスを放出するが、たとえ還元電位がOの電位よりも高かったとしても、水と反応する酸化剤はほとんどない。
2/H
2このような反応のほとんどには触媒が必要です。[96]水の酸化の例は
次のとおりです。
- 4 AgF
2+ 2時間
2O → 4 AgF + 4 HF + O
2
電解
水は電流を流すことで、その構成要素である水素と酸素に分解することができます。[97]このプロセスは電気分解と呼ばれます。陰極の半反応は次のようになります。
- 2時間+
+ 2
e−
→ほ
2
陽極の半反応は次のようになります。
- 2時間
2お→お
2+ 4時間+
+ 4
e−
生成されたガスは表面に泡立ち、そこで集められるか、または意図に応じて水面上の炎で点火することができます。純水の電気分解に必要な電位は、25℃で1.23Vです。[97]実際の電気分解では、動作電位は実際には1.48V以上です。
歴史
ヘンリー・キャベンディッシュは1781年に水が酸素と水素で構成されていることを証明した。 [98]電気分解による水の水素と酸素への最初の分解は、1800年にイギリスの化学者ウィリアム・ニコルソンとアンソニー・カーライルによって行われた。[98] [99] 1805年にジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックとアレクサンダー・フォン・フンボルトは、水が水素2部と酸素1部で構成されていることを証明した。[100]
ギルバート・ニュートン・ルイスは1933年に純粋な重水の最初のサンプルを単離した。[101]
水の特性は歴史的にさまざまな温度スケールを定義するために使用されてきました。特に、ケルビン、摂氏、ランキン、華氏のスケールは、水の凝固点と沸点によって定義されていました (現在も定義されています)。あまり一般的ではないデリスル、ニュートン、レオミュール、レーマーのスケールも同様に定義されていました。水の三重点は、今日ではより一般的に使用されている標準点です。
命名法
水のIUPACでの名称はオキシダンまたは単に水[102]、あるいは他の言語での同義語であるが、分子を記述するために使用できる他の体系的な名称もある。オキシダンは、置換基命名法によって水の誘導体を命名するために用いられる単核親水素化物の名前としてのみ使用されることを意図している。[103]これらの誘導体には、通常、他の推奨名称がある。例えば、 -OH基にはオキシダニルよりもヒドロキシルという名称が推奨される。オキサンという名称は、テトラヒドロピランとしても知られる環状エーテルの名称であるため、IUPACではこの目的には不適切であると明示的に言及されている。[3] [104]
水の最も単純な体系的名称は、酸化水素である。これは、過酸化水素、硫化水素、重水などの関連化合物に類似している。タイプIのイオン性二元化合物の化学命名法を使用すると、水は一酸化水素という名前になるが、[105]これは国際純正応用化学連合（IUPAC）が発行する名前の中には含まれていない。[102]もう一つの名前は二酸化水素であるが、これはめったに使用されない水の名前であり、主に二酸化水素のパロディで使用されている。
水の他の体系的な名前には、酸と塩基の名前を使用したヒドロキシ酸、ヒドロキシル酸、水酸化水素があります。 [j]これらの珍しい名前はどれも広く使用されていません。水分子の分極形態であるH+
おお−
は、IUPAC命名法ではハイドロオキシドとも呼ばれる。 [106]
水物質は、物質の相（液体の水、水蒸気、何らかの形の氷、または混合物の成分）を特定したくない場合にH 2 Oに対して使用されるまれな用語ですが、「水」という用語はこの一般的な意味でも使用されます。
酸素二水素化物は水を表す別の方法ですが、現代の用法では「水素化物」という用語はイオン化合物（水ではない）に限定されることが多いです。
参照
脚注
- ^有機化学で主に水のpKa 値 としてよく引用される15.7という値は誤りである。[12] [13]
- ^ ab較正に使用される ウィーン標準平均海洋水（VSMOW）は、273.1500089（10）K（0.000089（10）°C）で融解し、373.1339 K（99.9839°C）で沸騰します。他の同位体組成は、わずかに異なる温度で融解または沸騰します。
- ^ H +
Hを表す
3お+
（H
2O)
んそしてより複雑なイオンが形成されます。 - ^ 負の熱膨張は溶融シリカでも観測される。[34]また、かなり純粋なシリコンは、約18〜120ケルビンの温度で負の熱膨張係数を示す。[35]
- ^ 凍結すると膨張する他の物質としては、シリコン（融点1,687 K（1,414 °C; 2,577 °F））、ガリウム（融点303 K（30 °C; 86 °F）、ゲルマニウム（融点1,211 K（938 °C; 1,720 °F））、ビスマス（融点545 K（272 °C; 521 °F））などがある。
- ^ (1-0.95865/1.00000) × 100% = 4.135%
- ^ 理想気体の法則から生じる断熱冷却。
- ^ 出典では 0.0072°C/atm としている。しかし著者は 1気圧を1,000,000 dynes/cm 2 (1 bar ) と定義している。標準的な気圧の定義である 1,013,250 dynes/cm 2を使用すると、0.0073°C/atm となる。
- ^ 0.5/0.0073 = 68.5 という事実を使用します。
- ^水は 両性（酸としてもアルカリとしても反応できる）であるため、酸と塩基の両方の名前が存在します。
参考文献
注記
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これらの化合物には、一般名または共通名（例：H2Oは「水」）が付けられている場合があり、体系的な名前（例：H2O、一酸化二水素）も付けられている。
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水 H
2
O も同様です。水には何も付いていない電子対が 2 つあります。これらも考慮する必要があります。NH
3
や H
2 O のような分子は
、曲がった分子
と呼ばれます
。
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非結合電子対の数が増えるにつれて結合角が減少することに注目してください。結合電子対は結合原子の両方の核に引き付けられますが、非結合電子対は主に1つの核にのみ引き付けられます。非結合電子対は核引力が少ないため、その電子ドメインは結合電子対の電子ドメインよりも空間的に広がっています（図9.7）。したがって、非結合電子対は結合電子対よりも多くのスペースを占めます。本質的には、図9.5のアナロジーで大きく太い風船として機能します。その結果、非結合電子対の電子ドメインは隣接する電子ドメインに大きな反発力を及ぼし、結合角を圧縮する傾向があります。
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さらに読む
- Ben-Naim, A. (2011)、水と水溶液の分子理論、World Scientific
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、水分子に関連するメディアがあります。
ウィキメディア・コモンズには、水図に関連するメディアがあります。
Wikiversityには工学熱力学/蒸気表に関する学習リソースがあります
- 「水の特性と測定」。米国地質調査所。2016年5月2日。 2016年8月31日閲覧。
- 一般および科学研究用一般水物質の熱力学的性質に関する IAPWS 定式化 1995 のリリース (より簡単な定式化)
- 2008 年 9 月の IAPWS の 0.1 MPa における液体水の特性に関する補足リリースを使用したオンライン計算機
- チャップリン、マーティン（2019）。「さまざまな状態の水の構造と特性」。水の百科事典。ワイリーオンラインライブラリ2019。pp.1–19。doi ：10.1002 / 9781119300762.wsts0002。ISBN 9781119300755. S2CID 213738895。
- 水の蒸気圧、液体の密度、液体の動的粘度、表面張力の計算
- 水の密度計算機
- なぜ飲み物の中に氷が浮くのか？NASA