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化学において、結晶水または水和水は結晶内に存在する水分 子である。水は、水溶液から結晶を形成する際にしばしば取り込まれる。[1]文脈によっては、結晶水は特定の温度における物質内の水の総質量であり、ほとんどの場合、一定の割合（化学量論的）で存在する。古典的には、「結晶水」は金属錯体または塩の結晶構造内に見られ、金属陽イオンに直接結合していない水を指す。
水または水を含む溶媒から結晶化すると、多くの化合物は結晶構造に水分子を組み込みます。結晶水は一般にサンプルを加熱することで除去できますが、結晶特性は失われることがよくあります。
無機塩と比較すると、タンパク質は結晶格子内に多量の水を含んで結晶化します。タンパク質の水分含有量が 50% であることは珍しくありません。
アプリケーション
水和に関する知識は、多くの化合物の質量を計算するために不可欠です。多くの塩のような固体の反応性は、水の存在に敏感です。塩の水和と脱水は、エネルギー貯蔵のための相変化材料の使用の中心です。[2]
結晶構造における位置
結晶水を伴う塩は水和物として知られている。水和物の構造は、ポリマー構造を定義する水素結合の存在により、非常に複雑になることがある。 [3] [4] 歴史的に、多くの水和物の構造は不明であり、水和物の式中の点は、水がどのように結合しているかを示すことなく、組成を特定するために使用されていた。IUPACの推奨によれば、化学付加物を示す場合、中央の点はスペースで囲まれていない。[5]例：
- CuSO 4 ·5H 2 O – 硫酸銅(II)五水和物
- CoCl 2 ·6H 2 O – 塩化コバルト(II)六水和物
- SnCl 2・2H 2 O – 塩化スズ(II) (または第一スズ) 二水和物
多くの塩では、水分子は溶解すると不安定になるため、水の正確な結合は重要ではありません。たとえば、 CuSO 4 ·5H 2 Oから調製した水溶液と無水CuSO 4 は同じように動作します。したがって、水和度を知ることは当量を決定する場合にのみ重要です。1 モルのCuSO 4 ·5H 2 Oは 1 モルのCuSO 4よりも重いです。場合によっては、水和度が結果として生じる化学的性質に決定的な影響を与えることがあります。たとえば、無水RhCl 3は水に溶けず、有機金属化学ではあまり役に立ちませんが、RhCl 3 ·3H 2 Oは多用途です。同様に、水和AlCl 3 は貧弱なルイス酸であるため、フリーデルクラフツ反応の触媒としては不活性です。したがって、水和物の形成を防ぐために、 AlCl 3のサンプルは大気中の湿気から保護する必要があります。
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水和硫酸銅(II)の結晶はSOに結合した[Cu(H 2 O) 4 ] 2+中心からなる。2−4イオン。銅は、2つの異なる硫酸基と4つの水分子によって提供される6つの酸素原子に囲まれています。5番目の水はフレームワークの別の場所にありますが、銅に直接結合していません。[6] 上記の塩化コバルトは、 [Co(H 2 O) 6 ] 2+およびCl −として存在します。塩化スズでは、各Sn(II)中心はピラミッド型（平均O/Cl−Sn−O/Cl角は83°）で、2つの塩化物イオンと1つの水に結合しています。式単位の2番目の水は、塩化物と配位した水分子に水素結合しています。結晶水は静電気引力によって安定化されるため、+2および+3カチオンと-2アニオンを含む塩では水和物が一般的です。場合によっては、化合物の重量の大部分が水から生じます。 グラウバー塩、Na 2 SO 4 (H 2 O) 10 は、重量の50%を超える水分を含む白色の結晶性固体です。
塩化ニッケル(II)六水和物の場合を考えてみましょう。この種の化学式はNiCl 2 (H 2 O) 6です。結晶構造解析により、固体は[ trans - NiCl 2 (H 2 O) 4 ]サブユニットで構成され、これらは互いに水素結合しており、さらに 2 つのH 2 O分子も結合していることがわかります。したがって、結晶中の水分子の 3 分の 1 はNi 2+に直接結合しておらず、これらは「結晶水」と呼ばれることがあります。
分析
ほとんどの化合物の水分含有量は、その式がわかれば判定できます。未知のサンプルは、熱重量分析(TGA) で判定できます。この分析では、サンプルを強く加熱し、サンプルの正確な重量を温度に対してプロットします。次に、放出された水の量を水のモル質量で割ると、塩に結合した水分子の数が得られます。
その他の結晶化溶媒
水は小さく極性があるため、結晶中に見られる溶媒として特に一般的です。しかし、すべての溶媒は、いくつかのホスト結晶中に見出すことができます。水は反応性があるため注目に値しますが、ベンゼンなどの他の溶媒は化学的に無害であると考えられています。結晶中に複数の溶媒が見つかる場合もあり、多くの場合、化学量論は可変であり、これは「部分占有」という結晶学の概念に反映されています。真空と熱を組み合わせてサンプルを「一定重量まで」「乾燥」することは、化学者にとって一般的で慣例的なことです。
その他の結晶化溶媒については、サンプルを重水素化溶媒に溶解し、 NMR 分光法でサンプルの溶媒信号を分析することで分析を簡単に行うことができます。単結晶X 線結晶構造解析では、これらの結晶化溶媒の存在も検出できる場合がよくあります。現在、他の方法も利用できる可能性があります。
いくつかの無機ハロゲン化物中の結晶化水の表
下の表には、様々な塩中の金属あたりの水分子の数が示されている。[7] [8]
第 2 列および第 3 列の金属の例はほとんどありません。Mo、W、Tc、Ru、Os、Rh、Ir、Pd、Hg、Au のエントリは存在しません。AuCl 3 (H 2 O) は呼び出されていますが、その結晶構造は報告されていません。
金属硫酸塩水和物
遷移金属硫酸塩はさまざまな水和物を形成しますが、それぞれが 1 つの形でのみ結晶化します。硫酸基は、特に 6 個未満のアクア配位子を持つ塩の場合、金属に結合することがよくあります。最も一般的な塩である七水和物は、単斜晶系として結晶化し、それほど一般的ではない斜方晶系として結晶化します。七水和物では、1 つの水が格子内にあり、他の 6 つの水は鉄中心に配位しています。[28] 金属硫酸塩の多くは、鉱物硫化物の風化の結果として自然界に存在します。[29] [30] 多くの一水和物が知られています。[31]
金属硝酸塩の水和物
遷移金属硝酸塩はさまざまな水和物を形成します。硝酸アニオンは、特にアクア配位子が 6 個未満の塩の場合、金属に結合することがよくあります。硝酸塩は自然界では珍しいため、ここでは鉱物をいくつか紹介します。水和した硝酸鉄は結晶学的に特徴付けられていません。
写真
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水和硫酸銅(II)は明るい青色です。 -
無水硫酸銅(II)は淡いターコイズ色をしています。
参照
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