水と氷の決定的な違いは、水は分子の配列が規則的でないのに対し、氷は一定の結晶構造を持っていることです。

水は、地球が誕生した初期の段階から、地球の主要な構成要素でした。現在、水は地球表面の70％以上を占めています。この点から見ると、水のほとんどは海にあり、約97％を占めています。川や湖、池は0.6％、約2％は極地の氷冠や氷河に存在する。地下には一定量の水があり、水蒸気や雲などの気体の形でもわずかながら存在する。このうち、人間が直接利用できる水は1％以下しか残っていません。この清らかな水もどんどん汚れていくので、きちんとした保全計画が必要です。

カタログ

1. 概要と主な違い 2. 水とは何か 3. 氷とは何か 4. 並べて比較 - 水と氷を表形式で 5. まとめ

水は何ですか？

水は化学式H2Oで表される無機化合物で、私たちが生きていく上で欠かすことのできないものです。水素原子2個と酸素原子1個が共有結合し、水分子が形成される。また、電子の一対多の結合の反発効果を最小にするために分子が湾曲しており、H-O-H角は104oである。 水は無色透明、無臭で無味の液体である。さらに、霧、露、雪、氷、水蒸気など、さまざまな形態をとることができる。通常の大気圧で100℃以上に加熱すると気相に変化する。

水は実に素晴らしい分子である。生物界に最も多く存在する無機化合物である。私たちの体の75％以上は水分でできています。そこでは、溶媒や反応物質として働き、細胞に不可欠な存在となっている。しかし、分子量18gmol-1でありながら、室温では液体である。

図01：液相の水

水が水素結合を形成することは、そのユニークな性質の一つである。そこでは、1つの水分子が4つの水素結合を形成することができる。酸素は水素よりも電気陰性であるため、水分子のO-H結合は極性を持つ。水は極性を持ち、水素結合を形成することができるため、強力な溶媒となる。さらに、多くの物質を溶かすことができるため、万能溶媒と呼ばれています。また、水は表面張力が大きく、粘着力や凝集力が強いという特徴があります。気体や固体になることなく、温度変化に耐えることができる。熱容量が大きく、生物の生存に重要であることから、このように名付けています。

アイス(氷)は何ですか？

氷は水が固まったものです。水を0℃以下と呼ぶと、凍り始める。氷は透明かわずかに不透明のどちらかです。しかし、時には含まれる不純物によってその色が変わることもあります。また、この化合物は規則正しい結晶構造を持っている。

図02: 水面に浮かぶ流氷

氷がこのような秩序ある固体構造を形成するためには、水素の結合が重要である。水素結合により、水分子は距離を保って結晶構造を形成している。このとき、同じ質量のH2Oの体積は膨張する（これは、水の質量が凍結して氷になるときに相対的に大きな体積を得ることを意味する）。水は凍ると体積が膨張するため、氷は水よりも密度が低くなります。その結果、水面に浮くことができるのです。これは、冬に水底の水が凍るのを防ぎ、水生生物を保護するためのものです。

ウォーターとアイスの違い

氷は水が固まったもので、ある種の結晶構造をもっていますが、水はそのような規則的な分子の並び方をしているわけではありません。これが、水と氷の決定的な違いなんですね。水分子の間に水素結合があるため、水素が発生します。凍る過程で、水素結合により水分子の距離が保たれ、氷は結晶構造を形成することができる。さらに、この処理によって容積が大きくなる。したがって、水と氷のもう一つの重要な違いとして、氷は水より密度が小さいと言えます。そのため、水面に浮くことができます。

また、水と氷は、体積と密度で区別することができます。つまり、同じ質量であれば、水は氷よりも体積が小さいのです。これは、水が氷よりも密度が高いからです。下図は、氷と氷の違いを表しています。

概要 - ウォーター vs. アイス

氷は水が固まったものです。しかし、氷は水分子同士が水素結合しているため、0℃以下に冷やすと水分子が規則正しく並んだ形になる。したがって、水と氷の決定的な違いは、水は分子の配列が規則的でないのに対し、氷は一定の結晶構造を持っていることである。

引用

1 "氷と水と簡単な化学反応"季刊学習帳』出版社名季刊学習帳出版社ロゴ、2018年4月17日。こちらから入手可能です 2Zumdahl, Steven S. "Water," Encyclopedia Britannica, 4 Oct.2018, available here 2Zumdahl, Steven S. "Water," Theブリタニカ百科事典『Encyclopædia Britannica』2018年10月4日号