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もっとも身近でもっとも奇妙。“異常液体”『水』が不思議すぎる

生命の存在に欠かせない「水」。実は他の液体には見られない性質を多数持つ特異な物質であることをご存知でしたか?水や氷の不思議についてまとめてみました。

更新日: 2017年05月07日

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あなたは本当の『水』の姿を、ほとんど知らない…

酸素と水素の化合物である「水」は身の回りでもっとも身近な物質であり、生命にとって欠かすことのできないものです。
そんな「水」は、他の物質とは明らかに異なるいくつもの性質を持っているのです。

非常に身近な「水」であるが、その性質は、自然界の他の物質と比べて、特異なものであり、かつ、その性質故に、私たちの生活環境において重要な役割を果たしている。

私たちの身の回りに当然のように存在しているのが「水」という物質。

しかし水は、この世の中で最も不思議な性質を持つ、実に不可解な物質でもあるのです。

水は他の物質とは異なる、不思議な性質を持った物質であることはあまり知られていません。

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。

そして、この「水の異常性」が、生命の存在にとってとても重要な役割を果たしていると言われています。

水は『異常液体』と呼ばれている

人間にとってもっとも身近な物質である水ですが、その性質は「異常液体」と呼ばれるほど特異なものです。

水が凍ると「氷」となるのは誰もが知るところ。このような固体状態の水である氷は、極めてめずらしいことに、液体状態よりも体積が増加することが知られています。

水が固体である氷になると体積が増加することはよく知られていますが、これは他の物質には見られない極めて珍しい現象です。

液体が固体になるとその密度は増すわけですから、液体のときよりも重くなっているはずです。
ほかの物質ではその考えが当てはまります。
しかし、水の場合のみこの常識が通用しません。

このように固体になると液体よりも体積が増加する物質は「異常液体」と呼ばれており、水の他には「ケイ素」「ゲルマニウム」「ガリウム」「ビスマス」のみです。

このような現象が起こるのは、異常液体の固体は結晶構造に隙間が多く、分子が自由になる液体状態の方がかえって最密に近くなるため

水のような異常液体では、液体よりも固体の方が分子に隙間が多くなるという独特の結合をします。

この性質は地球の環境とも関連があり、もし氷が水より重かったとしたら、地球上はまたたくまに氷でおおわれ生物は死滅していたことでしょう。

もし氷が水より重く、水に沈んでいたら…
寒さによって海などの表面が凍り、その凍りが海底に沈み、次に海面に晒された水が凍り…を繰り返せば、地球は瞬く間に氷の惑星となり、生命が生き延びることはできなかったでしょう。

水の異常性が生命をもたらした

人体の約70%を占めるといわれている水は、生命にとって欠かすことのできないものです。

水は星の形成の過程で生まれ、更に、その水の中で生まれた生命は、水と深い関わりを持って生命を維持しており、水なしでは生きられない。

水という液体は、溶けた物質を溶液中にイオンを発生させ化学変化を起こしうる培地となります。
このような特性から、水中に様々な化学物質が生み出され生命の素となり、そこから生物が発生したらしい

水がなければ、生命は発生も存在もできません。

また、水はほかの液体と比べ、とても温まりにくいという性質があります。
同じ液体でもアルコールなどは水の半分の時間で温まるほど。
人間の体温が夏でも冬でも一定なのは、この水の温まりにくい性質が影響しているのです。

水の「温まりやすく冷めにくい」という性質も、生命にとって重要な要素だったはずです。

「氷」には17種類もの姿が存在する

水の固体である「氷」には、実は全部で17種類もの性質の異なる姿があることが知られています。

氷は人類にとって最も身近な結晶の一つですが、その氷にもさまざまな種類があることは一般にはあまり知られていません。

氷は温度と圧力を変えると、氷Ih、氷Ic、氷II、氷III、氷IV、氷V、氷VI、氷VII、氷VIII、氷IX, 氷X、といった種々の状態の氷になります。

今から1世紀以上も前、氷を低温高圧状態にすることで氷II相とIII相(冷凍庫でできる通常の氷は氷Ih相)が立て続けに発見されましたが、それ以来、観測可能な温度圧力領域の拡大にともなってその数は増え続け、現在では17種類もの氷の多形が報告されています。

水の固体である「氷」には複数の結晶構造が発見されており、その数なんと17種類!(通常の物質の固体は1〜2種類です)
2014年に新しい構造が発見されるなど、まだまだ未知の部分が多いのです。

これほど多くの多形が見つかっている物質は他に無く、水・氷の特異性の一つを象徴していると言えるでしょう。

圧力と温度の条件による水の状態の変化を表した図。
1気圧のとき、0℃が固体と液体の境界、100℃が液体と気体の境界であることが示されています。

このように水は温度や圧力の変化によって水分子の配列が変わり、様々な性質を見せてくれます。

ただし、地球上で見られる氷のほとんどは、I相の氷のうち「Ih相」と呼ばれるものだ。hは六角形の「六方晶」を表すhexagonalの頭文字で、雪の結晶が六角形なのはこのためだ。

私たちが通常目にしている氷の姿は、その多彩な種類のうちのわずか1種類でしかありません。

一般的に私たちが氷と呼んでいる「Ih」以外にも自然状態でごく微量の「Ic」が存在することや、その他にも高圧下の宇宙にのみ存在し得る15種類の氷が見つかっています。

「熱い氷」だって存在する

氷VIIは、2万気圧以上の高圧で存在し、100℃を超えても融けない「熱い氷」です。

17種類の氷のうちのひとつである「氷VII」は、常識では考えられない「熱い氷」です。

地球から33光年離れた矮星にGJ436というものがあるが、その周囲を回っている惑星が、どうやら熱い氷でできている可能性が高い

グリーゼ436という恒星の惑星であるグリーゼ436bは、その圧力と重力によって大部分が「熱い氷」でできており、水素とヘリウムの大気を持つと考えられています。

「熱い氷」でできていると考えられている「グリーゼ436b(GJ436b)」と恒星「グリーゼ436」。

この星は、親星たる恒星にあまりにも近いために、摂氏250度という高温なのである。その高温にかかわらず、星は水のかたまりとして、天体としての実体を保っている。しかもその水は灼熱状の氷になっているという。

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