水・氷の\(2\)大性質
水・氷の重要な性質は\(2\)つあります．
- 氷は正四面体構造をとり水素結合している
- 水の密度 \(>\) 氷の密度
これらの\(2\)大性質を詳しく解説していきます．
氷は正四面体構造をとり水素結合している
まずは\(1\)つ目の性質です．
氷の結晶では，\(1\)コの水分子が他の\(4\)コの水分子と水素結合によって正四面体構造をとっています．
ポイントは，この\(1\)文がすべてです．笑
というわけにもいかないので，補足説明もしていきましょう．氷の結晶構造は図のようになっています．
氷の結晶は配位数が\(4\)であるため，かなりすきまの多い構造をしています．これは水素結合に方向性があるためです．
ここで\(1\)つ注意点があります．
それは\(\rm{H_2O1}\)分子あたりの水素結合を数えるときは，\(2\)コになるという点です．これは下のように図を書くと，すぐに納得できます．
\(1\)分子あたりの水素結合を\(4\)コとすると，水素結合を重複して数えていることになります．この図で\(\rm{H-O-H}\)の下にある結合を自分のもの，上にあるものを自分の上にある\(\rm{H_2O}\)のものとすると，重複せずに数え上げることができますね！ここは入試でも頻出の部分なので，必ず理解しておきましょう！
水の密度 \(>\) 氷の密度
一般的な物質は，固体の密度 \(<\) 液体の密度となっていますが，水の場合には，水の密度 \(>\) 氷の密度となります．
コップに入れた水に氷を入れると，浮くという経験をしたことのある方は多いと思います．これで覚えてしまいましょう！ここで，浮く \(=\) 密度が小さいということです．
ではなぜ，水の密度 \(>\) 氷の密度と一般的な物質とは異なる性質を示すのでしょうか？
それは氷の構造にあります．先ほども説明したように，氷は水分子が水素結合で結びついて，すきまの多い構造になっています．一方で，水の場合は水分子の水素結合の一部が切断され，そのすきまに水分子が入ろうとしてきます．そのため密度が大きくなり，密度の逆転が起こるというわけです．
\(\rm{4^\circ C}\)で密度最大
次は，密度と温度の関係をみていきましょう！
水の密度は，\(\rm{4^\circ C}\)で最大となります．
この理由を考えてみましょう．
まず\(\rm{0^\circ C}\)で氷から水に状態変化するとき，急激に体積が減少します．これは氷の水素結合の一部が切断され，その隙間を埋めるように自由になった水分子が入り込むためです．体積が減少するということは，逆に密度は増加しています．
これは単位を見ると簡単にわかります．密度の単位は一般的に\(\rm{g/cm^3}\)になりますが，分母の\(\rm{cm^3}\)が減少すると，\(\rm{g/cm^3}\)は全体的に増加することがわかります．ここまでが\(\rm{0^\circ C}\)の変化でした．
そして，\(\rm{0^\circ C}\)を過ぎると\(2\)つの効果が拮抗します．
①液体の水の中には部分的な水分子の塊であるクラスター構造が残っているため，温度を上げるとこの構造がこわれさらに体積が減少（密度が増加）する．
②温度が上がると水分子の運動が激しくなり，分子が占める空間の増加によって，体積が増加（密度が減少）する．
\(\rm{4^\circ C}\)以下では，① \(>\) ②，\(\rm{4^\circ C}\)以上では，① \(<\) ②となります．そのため① \(=\) ②となるのが\(\rm{4^\circ C}\)のときで，このとき密度が最大となります．
今日は簡潔に水・氷の構造を解説しました．必ず覚えてほしいことは，説明した\(2\)大性質です．そしてそれに付随する性質やその理由なども覚えていきましょう！
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