(1)固体の密度が液体の密度より小さい

水に氷を入れると、氷は2割くらいを水面上に出して浮かびますね。皆さんは子供のころからそれを見慣れているから不思議に思わないかもしれませんが、実はこれは水に特有の不思議な現象なのです。

固体というのは、原子や分子が化学結合によって整然と並んだ状態です。筆箱に鉛筆やシャープペンシルを入れるとき、ぐちゃぐちゃに入れるよりも整然と並べて入れる方がたくさん入りますよね。それと同じで、普通は同じスペースに固体の方が液体よりもたくさんの分子が入って、密度が大きくなります。

だから、エタノールの固体をエタノールの液体の中に入れると沈んでしまいます。

水　　：固体の密度＜液体の密度
水以外：固体の密度＞液体の密度

では、なぜ氷を液体の水に入れると、氷の方が浮いてしまうのでしょうか。

それは、氷は水分子が水素結合で結びついて、隙間の多い構造になっているからです。

前回説明したように、水素結合には方向性があり、水分子は折れ線構造をしているため、固体になると右下の図のように積み重なり、隙間だらけになってしまいます。一方、液体のときには水分子は自由に動くことができるため、隙間が少なくなり、密度が大きくなるのです。

それでは、水の密度が最も大きくなるのは何℃の時か知っていますか？実は、密度が最大になるのは、4℃のときなのです。

温度が下がると水素結合をする部分が増え、局部的な水分子の塊が生じます（クラスター構造）そのため、密度は減少します。逆に温度が高くなると、熱運動が激しくなるため分子が占める空間が大きくなり、密度は減少します。この2つの効果が最小になるのが4℃のときで、このとき密度が最大になるのです。

(2)固体に圧力を加えると融解して水になる

氷は圧力をかけると溶けるというのは知っていますか？これも普通の物質とは逆で、普通の物質は液体に圧力をかけると固体になります。

なぜ氷に圧力をかけると溶けてしまうのかというと、氷は水分子が水素結合で結びついたすきまの多い構造になっているからです。ここに強い圧力を加えると、水素結合が切れて、ぐじゃっとつぶれてしまい、液体になってしまうのです。

この性質を利用したのがアイススケートです。

スケートの靴には金属のブレードがついていて、これをはいて氷の上に立つと、ブレードの下に大きな圧力がかかります。そうすると、氷が溶解して水になり、これが潤滑剤の代わりになるため滑ることができるのです。

また、大きな氷の塊に針金をかけて、その両端に重りをつけると、針金の下に圧力がかかるため、氷が融けて針金は氷に食い込んでいきます。一方で、針金の上側には圧力がかかっていませんから、生じた水は周りの氷によって冷却されて再び氷に戻ります。

しばらく放置すると、針金は氷を通り抜けて下に抜けますが、氷は切断されずに残ります。

横軸に温度、縦軸に圧力を取り、物質の状態を図示したものを三態図と言います。水は、圧力を加えると融解するため、この三態図の固体と液体の境界の線（融解曲線）が左に傾きます。

三態図には3本の線が走っています。1本は先ほど紹介した融解曲線、もう2本は固体と気体の間の線を昇華圧曲線、気体と液体の間の線を蒸気圧曲線と言います。

ここで、昇華圧曲線と聞いて、えっと思った人も多いですよね。そうです。実は一定以下の温度で圧力を減少させると、氷は昇華するのです。

この性質はフリーズドライとしてインスタントラーメンなどの食品や粉薬の製造などに用いられているんですよ。水を含んだ薬品や食品を冷却して凍結させたうえ減圧すると、氷が昇華して加熱することなく乾燥することができるのです。

昔の薬は薬効成分のある薬草などを煎じた液体の薬が主流でしたが、良薬口に苦し、と言うように、この液体の薬は飲むのが大変で、苦痛に感じるほどだったそうです。　しかし、加熱して乾燥させると、熱によって薬効成分が破壊されてしまい、薬としての効果がなくなってしまいます。そのため、液体で飲むしかなかったのです。

ところが、このフリーズドライという製法が現れてから、薬効成分を破壊することなく乾燥させることができるようになったため、液体の薬は急速に消えていき、飲みやすい粉薬や錠剤が主流になったのです。

また、融解曲線と蒸気圧曲線と昇華圧曲線の3本が交わる点を三重点といい、この点では液体と固体と気体が共存することができる点です。

最後にもう1つ。温度、圧力を一定以上の大きさにすると、超臨界状態という液体でも固体でも気体でもない状態になります。超臨界状態では圧力が高いため密度は液体と同じですが、温度が高く熱運動が激しいので、分子間に結合が生じていません。つまり、超臨界状態の水は液体と気体の両方の性質をもっているのです。

この超臨界状態の水は、コーヒー豆からコーヒーの成分を抽出する時などに用いられています。

(3)異常に高い沸点

水素結合は比較的強い力で、ファンデルワールス力の10倍程度の大きさがあります。(共有結合はファンデルワールス力の100倍程度)ですから、水素結合をする物質は水素結合をしない同程度の分子量の物質より沸点が高くなります。

実際に、14族～17族の元素の水素化物の沸点を並べてグラフを作ると、下図のように、水素結合を作るHF、H2O、NH3,の沸点が他の物質に比べて著しく大きくなります。

この中で、14族水素化合物の沸点は、CH4が水素結合をしないため左下がりの曲線になります。

なぜCH4がなぜ水素結合をしないのかというと、C-Hの結合は、Cの電気陰性度がそれほど大きくないため電荷の偏りがそれほど大きくないためと、Cは価電子全て用いて4つの共有結合を作っていて、水素結合に必要な非共有電子対が存在しないためです。

ところで、このグラフで気になるところはありませんか？H2OとHFの沸点が逆じゃないか。と思った人はきちんと勉強していますね。H2Oの分子量は18、HFの分子量は19ですから、 共に水素結合をしているんだし、H2Oの方が分子量が小さい分だけ沸点が低くなりそうです。

では、なぜHFの方がずっと沸点が低くなっているのでしょう。これは、H2Oは1分子に2個の非共有電子対と2個の水素があるため4か所で水素結合をするのに対し、HFは水素が1つしかないため、2カ所でしか水素結合を作れないからです。

(4)大きな蒸発熱

水は水素結合をしているため、分子量の割に沸点が高く、蒸発させるのに大きなエネルギーが必要です。実は、このおかげで我々は地球上に生活できているのです。

砂漠のように水の無い環境では、日中に50℃を超える温度になったかと思うと、夜間は氷点下になったりします。一方で、水に囲まれた日本ではこんな極端な温度変化はありませんね。

これは、次のようなメカニズムで水が温度をコントロールしてくれているためです。

昼間は、太陽から地上に降り注ぐ熱を水が吸収して、水蒸気になります。このように水から水蒸気に変化するときに吸収される熱量の事を蒸発熱と言います。

水は蒸発熱が非常に大きいため、たくさんの熱量を吸収することができます。そのため、どんなに太陽が照っていても温度がそれほど上がらないのです。これを利用したのが打ち水で、水を撒くと、水が熱を吸収して水蒸気になるため、温度が下がるのです。

一方、夜間になると、宇宙空間への放熱が起こり（宇宙空間への放熱は昼間も起こっていますが、昼間は太陽から降り注ぐ熱の方が放熱量より多い）温度が下がります。そうすると、昼間、熱量を吸収して水蒸気になっていた水が、凝縮して水になります。このとき、吸収した熱量と同じ大きさの熱量（これを凝縮熱と言います）を発生するため、温度が下がりにくくなるのです。

このようにして生じる水には、霧や露を挙げることができます。霧は昼間の温度が高くて夜の温度が低いと発生しやすいし、露も夏の朝に生じることが多いですよね。
これは、昼間に水蒸気がたくさん発生して、夜や朝方になるとそれが冷却されて水に戻るからです。

今回はこれくらいにしましょう。次回は分子性物質の特徴について説明します。