結晶水

化学では、結晶水または水和水は結晶内部に存在する水分子です。水はしばしば水溶液から結晶の形成に取り込まれます。^{[ 1 ]}文脈によっては、結晶水は特定の温度における物質中の水の総質量であり、ほとんどの場合、一定の（化学量論的）比率で存在します。古典的には、「結晶水」とは、金属錯体または塩の結晶骨格中に存在する水を指し、金属カチオンに直接結合していません。

水または水を含む溶媒からの結晶化の際、多くの化合物は結晶構造内に水分子を取り込む。結晶水は一般的に試料を加熱することで除去できるが、結晶性はしばしば失われる。

無機塩類と比較して、タンパク質は結晶格子中に多量の水を含んで結晶化する。タンパク質の水分含有量が50%になることは珍しくない。

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。多くの塩状固体の反応性は、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において中心的な役割を果たします。^{[ 2 ]}

結晶水が付着した塩は水和物として知られています。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ります。 ^{[ 3 ] [ 4 ]}歴史的に、多くの水和物の構造は不明であり、水和物の式のドットは、水がどのように結合しているかを示さずに組成を指定するために使用されていました。IUPACの勧告によると、化学付加物 を示す場合、中央のドットはスペースで囲まれません。^{[ 5 ]}例:

• CuSO₄_・5H₂O – 硫酸銅(II ₎五水和物
• CoCl₂・6H₂O – 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、溶解時に水分子が不安定になるため_、水の正確な結合状態は重要ではありません。例えば、 CuSO₄・5H₂Oと無水CuSO₄から調製した水溶液は、_全く同じ挙動を示します。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_。つまり、 1モルのCuSO₄・5H₂O_は、 1モルのCuSO₄よりも重いということです。場合によっては、水和度_が結果として得られる化学的性質に決定的な影響を与えることがあります。例えば、無水RhCl₃_は水に溶けず、有機金属化学では比較的役に立ちませんが、 RhCl₃・3H₂Oは汎用性が高いです。同様に、水和_AlCl₃は弱い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、AlCl₃のサンプルは、_水和物の形成を防ぐために大気中の水分から保護する必要があります。

水和硫酸銅(II)の結晶は、SO 2− 4イオンに結合した[ Cu(H ₂ O) ₄ ] ²⁺中心から構成されています。銅は、2 つの異なる硫酸基と 4 分子の水によって提供される 6 個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内の別の場所に存在しますが、銅に直接結合しません。^{[ 6 ]} 上記の塩化コバルトは、 [ Co(H ₂ O) ₆ ] ²⁺と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、塩化物と配位水分子に水素結合しています。結晶水は静電引力によって安定化されるため、+2 および +3 の陽イオンと −2 の陰イ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に由来します。 グラウバー塩、Na ₂ SO ₄ (H ₂ O) _{10 は}、重量比で 50% 以上が水である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。この化合物はNiCl ₂ (H ₂ O) ₆という式で表されます。結晶学的解析によると、この固体は[ trans - NiCl ₂ (H ₂ O) ₄ ]サブユニットが互いに水素結合で結ばれており、さらに 2 分子のH ₂ Oが結合しています。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。

ほとんどの化合物の水分含有量は、その化学式が分かれば求めることができます。未知の試料については、熱重量分析（TGA）によって水分含有量を求めることができます。TGAでは、試料を高温に加熱し、試料の正確な重量を温度に対してプロットします。蒸発した水分量を水のモル質量で割ることで、塩に結合している水分子の数を求めることができます。

水は小さく極性があるため、結晶中に見られる特に一般的な溶媒です。しかし、他の多くの溶媒も結晶中に存在することができ、これらは溶媒和物として知られています。^{[ 7 ] [ 8 ]}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られることもあり、多くの場合、化学量論は変化し、これは結晶学の「部分占有率」の概念に反映されます。化学者が真空と熱を組み合わせて「恒量になるまで」サンプルを「乾燥」することは一般的で慣例となっています。

その他の結晶化溶媒については、試料を重水素化溶媒に溶解し、 NMR分光法によって溶媒シグナルを分析することで簡便に分析できる。単結晶X線結晶構造解析によっても、これらの結晶化溶媒の存在を検出できる場合が多い。現在、他の方法も利用可能である。

下の表には、さまざまな塩における金属1個あたりの水分子の数が示されている。^{[ 9 ] [ 10 ]}

遷移金属硫酸塩はさまざまな水和物を形成する。その多くは鉱物硫化物の風化の結果として自然界に存在する。^{[ 33 ] [ 34 ]} 多くの一水和物が知られている。^{[ 35 ]}

遷移金属硝酸塩は様々な水和物を形成する。硝酸アニオンは金属と結合することが多く、特にアクア配位子が6個未満の塩ではその傾向が顕著である。硝酸塩は自然界では稀なため、ここに掲載されている鉱物は少ない。水和硝酸鉄(II)は結晶学的に解析されていない。

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  水和硫酸銅(II)は鮮やかな青色である。
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  無水硫酸銅(II)は淡いターコイズ色をしている。
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  MSO ₄ (H ₂ O) のサブ構造。架橋水と架橋硫酸塩の存在を示す (M = Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Zn)。

• 水分補給
• ミネラル補給
• 水酸化物