極性の力：水のユニークな性質を理解する

概要

この記事では、生命に不可欠な水のユニークな性質について探求します。水分子の極性が水素結合を生み出し、水の凝集性と接着性を与えることを説明します。また、水棲昆虫が水の上を歩ける理由や、湖が冬に上から凍る理由など、一般的な疑問にも答えます。

極性とは何か？

水は1つの酸素原子と2つの水素原子からなる単純な分子ですが、生命に不可欠なものです。水分子内部の極性が、この一般的な物質にユニークな性質を与えます。極性とは、分子内で電子が不均等に共有されていることを指します。水において、1つの水分子内の酸素原子と2つの水素原子の間の結合は、大きくて強いフットボール選手とかわいらしい幼児の綱引きのようです。酸素は、水素よりも大きく、核にプロトンがより多く存在します。これらの正の電荷は、人の体力のようなものです。強い個人が弱い個人を綱引きで圧倒するように、これらの正の電荷は、結合内の負の電荷を引き付けることができます。そのため、酸素は、それ以上の電子を引き付けることができます。

極性共有結合

水素は、より小さく、強度が少ないか、プロトンが少ないため、綱引きに負け、公平な割合よりも少ない電子を引き付けます。そのため、水中の酸素は負のように振る舞い、水素は正のように振る舞います。1つの水分子内の結合は、極性共有結合と呼ばれます。共有とは、電子が共有されていることを意味しますが、極性とは、これらの電子が均等に共有されていないことを意味します。

水素結合

水中では、酸素は負のように、水素は正のように振る舞います。負と正は引き付け合うため、酸素は隣接する水分子の水素原子に引き付けられます。水分子間には、水素結合と呼ばれる特別な結合が形成されます。水中だけでなく、極性またはイオン性の異なる物質と水分子との間にも水素結合が形成されることがあります。

凝集性と接着性

水が自身に付着する能力を凝集性と呼び、他の物質に付着する能力を接着性と呼びます。これらの特性は、水分子の極性とその結果の水素結合によるものです。

水の上を歩く

なぜ一部の昆虫が水の上を歩けるのでしょうか？水素結合による表面張力が、水の表面に薄い膜を作り、超軽量の昆虫が歩けるだけの抵抗力を与えます。あなた自身は歩けません、なぜなら水素結合はあなたを支えるのに十分な強さではないからです。

氷の浮力

なぜ氷は水の上に浮くのでしょうか？ほとんどの他の物質では、固体の状態の方が液体の状態よりも密度が高くなりますが、水についてはそうではありません。水素結合によって、凍った水の分子は液体の水よりも遠くにあります。分子が離れているほど、その固体は密度が低くなります。そのため、氷は水よりも約9％密度が低くなります。これが湖が上から凍る理由であり、水生生物が毎年の寒い冬を生き延びることができる理由です。