水の性質、極性、および普遍的な溶媒としての役割
水分子
水は非常に単純な分子である：2つの水素原子と1つの酸素原子が結合して構成されている。しかしそれは、地球上で最も重要な溶媒であり、生命に不可欠な存在とする数々の特異な性質を持つ非凡な分子でもある。水は光合成や細胞呼吸を含む多くの生化学反応に関与し、細胞内および細胞間の物質輸送の媒体として機能する。
その一見単純な性質にもかかわらず、水は科学界において今なお重要な研究対象であり続けている。
図1. 水分子の極性酸素原子は部分的な負電荷（δ-）を持ち、水素原子はそれぞれ部分的な正電荷（δ+）を持つ。双極子モーメントは、正極側から負極側へ向かう矢印で表される。
水の極性
水分子は、2つの水素原子間の角度が104.5度の曲がった形状をしており、これが極性を生み出しています。水分子自体は電荷を持ちませんが、酸素原子は水素原子よりも電気陰性度が高く（つまり、電子を引き付ける力が強い）、その結果、酸素原子のある側の分子はわずかに負の電荷を帯び、それぞれの水素原子はわずかに正の電荷を帯びています。 このような電荷差を持つ分子は双極子と呼ばれる（図1）。
図2. 水分子の水素結合。
水素結合と水
水分子はこの双極子モーメントにより、互いに引き合う（わずかに正の水素側がわずかに負の酸素側に引き寄せられる）ほか、他の極性分子とも引き合う。この引力を水素結合と呼ぶ（図2）。
この水素結合は、氷が液体水よりも密度が低いこと、水の高い表面張力と粘性、そしてある程度は水の多くの物質を溶解する能力など、水の多くの独特な性質の原因となっている。水の高い融点と沸点は、水素結合を断ち切るのに必要なエネルギーによるものである。
水は優れた溶媒である
水は他のどの液体よりも多くの物質を溶解できる。高い誘電率を持つため、荷電粒子間の静電気力を弱めることができる。これにより、イオン化合物が水中で容易に解離する。塩類は負と正の電荷を持つイオンから構成され、双極子構造を持つ水分子に囲まれるため（図3）、水は塩類の優れた溶媒となる。
図3. 水分子によって溶解された塩（塩化ナトリウム）。
極性分子は水に容易に溶解する。これは、極性分子の正電荷部分が酸素原子に引き寄せられ、負電荷部分が水素原子に引き寄せられるためである。さらに、水は酸と塩基の両方の性質を持つ（すなわち両性である）ため、幅広い物質と相互作用できる。 また、中性有機分子に対する優れた溶媒であり、糖類、タンパク質、核酸など生命活動に関わる多くの分子と水素結合を形成します。
しかし、水は実際には万能溶媒ではなく、疎水性または非極性分子を溶解できない。
水の物理化学的性質
水は、粘度、表面張力、蒸発熱が高いなど、特異的な物理化学的性質を有する。これは主に、水分子を結びつける水素結合に起因する。ほとんどの物質とは異なり、水は固体（氷）の状態では液体よりも密度が低い。
高純度（超純）水の主要なパラメータを表1に示す。
水分子にはもう一つ興味深い特性がある。それは自ら解離する能力である：
2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + OH⁻
酸（プロトン供与体）と塩基（プロトン受容体）の両方として振る舞うこの能力は、両性物質の特徴である。溶液の酸性を示す最も一般的な方法はpHであり、これは水素イオン濃度に基づいて定義される：
pH = −log [H+]
超純水のpH値については疑問が提起されることが多く、実験室で超純水のpHを測定しようとすると、時に不可解な結果が得られることがあります。超純水のpHに関する詳細は、こちらの記事をご参照ください。
実験室用水システムの選定において、実験室用水の専門家によるサポートをご希望の場合は、お問い合わせください。
関連製品
続きを確認するには、ログインするか、新規登録が必要です。
アカウントをお持ちではありませんか？