水は何でできているの? 水素と酸素から

水はどこにでもありますね。水は何でできているのか考えたことはありませんか。今回はそれを解説しましょう。

水は、顕微鏡で調べただけでは、ただの透明な液体にしか見えません

ところが、イギリスの科学者ニコルスンは、1800年に水に電気をかけて水の正体を調べる実験をしたところ、そこに酸素と水素が発生するという発見をしました。
電気のプラスの側には酸素。マイナスの側には水素が発生し、しかもその量は、酸素が1に対して、水素が2の割合ということまでわかったのです。また、その後の実験で、水素ガス2と酸素ガス1をまぜて、爆発させると水ができることまで確認されました。
つまり、水は、水素と酸素という二つのガスからできているのです。このように、二つの物をあわせてまったく性質の違うものができてしまうとは、非常に不思議ですが、こういったことは化学の世界では普通のことなのです。

水(water)とは、化学式 で表される、水素と酸素の化合物である。特に湯と対比して用いられ、温度が低く、かつ凝固して氷にはなっていないものをいう。

水は人類にとって最もありふれた液体であり、基本的な物質である。

また、人が生命を維持するには必要不可欠であり、さまざまな産業活動にも不可欠の物質である。
それが変わったのは、わずか200年ほど前のことであり、19世紀前半に、ドルトン、ゲイリュサック、フンボルトらの実験が行われ、アボガドロによって分子説が唱えられたことによって、で表すことができる水素と酸素の化合物と理解されるようになった。
常温常圧では液体で、透明ではあるが、ごくわずかに青緑色を呈している(ただし、重水は無色である)。また無味無臭である。日常生活で人が用いるコップ1杯や風呂桶程度の量の水にはほとんど色がないので、水の色は「無色透明」と形容される。詩的な表現では、何かの色に染まっていないことの象徴として水が用いられることがある。しかし、海、湖、ダム、大きな川など、厚い層を成して存在する大量の水の色は青色に見える。このような状態で見える水の色を、日本語ではそのまま水色と呼んでいる。

●化学が発展してからは化学式H2O で表され、「水素原子と酸素原子は共有結合で結びついている」と理解されている。
また水は、かつて1kgや1calの単位の基準として用いられていた。
すべての既知の生命体にとって、水は不可欠な物質である。生物体を構成する物質で、最も多くを占めるのが水である。核や細胞質で最も多い物質でもあり、細胞内の物質代謝の媒体としても利用されている。通常、質量にして生物体の70〜80%が水によって占められている。人体も60〜70%程度が水である。
地球表面、特に海洋に豊富に存在する。水は人類にとって身近であって、生物の生存に必要な物質であるが、宇宙全体では液体の状態で存在している量は少ない。
現代の人類の水の使用量の約7割が農業用水である。現代の東京の家庭での水の使用量を多い順に並べると、トイレ、風呂、炊事である。

自然科学での呼び分け

水の概念を自然科学的に拡張して、化学式で と表現できるものをすべて広義の「水」とすれば、固体は氷、液体は水、気体は水蒸気、ということになる。
IUPAC系統名はオキシダン (oxidane) であるがほとんど用いられない。また、一酸化二水素、酸化水素、水酸、水酸化水素といった呼び方をすることも可能である。
不純物をほとんど含まない水を「純水」と呼ぶ(たとえば、加熱してできた水蒸気を凝結した蒸留水など)。特に純度の高いものは「超純水」という呼称もある。
水の化学式H2O の水素が二つとも同位体の重水素である水を重水と呼び、化学式D2O で表す。水素の一つが重水素であり、もう一つが軽水素である水は、半重水と呼び、DHOで表す。水素の一つが三重水素(トリチウム)である水は、トリチウム水(または三重水素水)と呼び、HTOで表す。重水・半重水とトリチウム水を併せ、さらに酸素の同位体と水素の化合物である水も含めて、単に重水と呼ぶこともある。この広義の重水に対して、普通の水は、軽水と呼ばれる。
軽水と重水は電子状態が同じなので、化学的性質は等しい。しかし、質量が2倍、3倍となる水素の同位体の化合物である水では、結合や解離反応の速度などの物性に顕著な差が表れる。

19世紀

その後19世紀初頭、イギリスのドルトンが実験の結果、水素と酸素が重量比で1:7で化合するとし(後に正しくは1:8と判明)、1805年にはゲイ・リュサックやフンボルトなどがそれぞれ、体積比で2:1で化合することを見出した。さらに1811年に、アボガドロが分子説を唱え、その枠組みの中で水の分子が と定められた。このころ(19世紀の初頭)に西欧の学者たちの水の理解が変わったと科学史家らによって指摘されており、同世紀を通して一般の人々の理解も変化していったと考えてよい。分子説の成立とともにあったという点などで、水は近代化学の発展のきっかけを作ったものである。

地球上の水

地球上には多くの水が存在しており、生物の生育や熱の循環に重要な役割を持っている。気象学や海洋学などの地球科学、生態学における大きな要因の一つである。水蒸気は最大の温室効果ガスでもある。
地球の水の総量は約14億 km3(= 1.4×1018 m3)と言われ、その97%が海水として存在し、淡水は残り3%にすぎない。そのほとんどが氷河や氷山として存在している。氷の状態の淡水の大部分は南極大陸とグリーンランドが占めている。
淡水湖 存在比 (%) 0.009
河川水 0.0001
地下水浅 0.31
地下水深 0.31
土壌水 0.005
氷河 2.15
大気  0.001
塩水湖 0.008
海洋 97.2

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このなかで、淡水湖・河川水・地下水浅が、人間が直接に利用可能な水で、総量の1%未満である。飲料水として利用できるものはさらに少ない。海水は天然および人工の全ての汚れを合わせ高濃度に汚染されているため、資源としての利用価値はほとんどない。
地球における継続的な水の循環は水循環と呼ばれている。太陽エネルギーを主因として、固相・液相・気相間で相互に状態を変化させながら、蒸発・降水・地表流・土壌への浸透などを経て、地球上を絶えず循環している。また、この循環の過程で地球表面の熱の移動や浸食・運搬・堆積などの地形を形成する作用が行われる。

太陽系の水

• 太陽系の惑星および衛星の表面に存在する水のほとんどは氷または水蒸気であり、地球以外で液体の水が存在する場所は少ない。相図からわかるように、液体の水が存在できる温度範囲は高圧ほど広くなる。逆に、火星のように気圧の低い環境では、液体の水は安定に存在することはできない。
• 火星の表面にはかつて液体の水があったことが判明している。
• 木星の衛星エウロパは、内部に液体の水からなる海があるのではないかと言われている。

太陽系外の水

太陽系外惑星には、大量の液体の水を保持している可能性のある惑星がいくつか見つかっている。例えばケプラー22bやグリーゼ581d、HD 85512 bといった惑星は、地球と同じような環境で水の海を持つと推定されている。しかし、GJ 1214 bやかに座55番星eといった惑星は、地球とは異なり、高温高圧の超臨界水の海を持つとされている。
2012年、ハッブル宇宙望遠鏡の観測により、GJ 1214 bが高温の水蒸気の大気を持つことが確認された。大気の下には超臨界水の海が存在する可能性がある。
2011年、クエーサーAPM 08279+5255の降着円盤に、地球の水の140兆倍という膨大な量の水が発見された。APM 08279+5255は、宇宙誕生から16億年後の時代に存在する天体であり、このことは、既にこの時代に大量の水が存在していた事を示している。

生物と水

生物体を構成する物質で、最も多くを占めるのが水である。核や細胞質で最も多い物質でもあり、細胞内の物質代謝の媒体としても使用されている。通常、質量にして生物体の70% – 80%が水によって占められており、そのうちわずか数%でも不足するとのどの渇きや熱中症など生命活動に不都合があらわれる。
生きている細胞には(理想的な溶媒である)水が多く含まれており、生命現象を司る化学反応の場を提供し、また水そのものが種々の化学反応の基質となっている。体液として、体内の物質輸送や分泌物、粘膜に用いられる。また高分子鎖とゲル化することで体を支える構造体やレンズにも利用されている。クマムシのように厳しい環境にも耐えられる生物は、体内の水分を放出し、不活性な状態をつくり出すことができる。
なお、「生物は太古の海で誕生した」とされることがある。生物の化学組成と海水の組成が似ていることもその説の根拠の一つである。地上の生物もその先祖をたどれば水中生活をおくっていた、とされる。
陸上のように、常に水につかっていない環境では、生物にとって最も重要な問題の一つが水の確保である。陸上の無脊椎動物では、周囲が湿っていなければ活動できないものも多い。陸上生物に見られる進化的形態の多くが水の確保や自由水のない環境への適応である。クマムシの場合も、頻繁に乾燥にさらされる環境への適応として、休眠の能力が発達したと考えられている。

人体と水

人体における水分量は年齢・性別によって異なり、新生児で約80%、成人で60%前後、高齢者は50%台となる。また女性は男性に比べて体内の脂肪分が多い関係で水分量は同年代の男性に比べてやや少ない。そして「その人体の水のうち45%までが、細胞内に封じ込められた水で、残り15%が血液・リンパ液など細胞の外にある水」と言われている。この細胞内液、細胞外液をあわせたものを体液と呼び、この体液が生命の維持、活動に重要な役割を果たす。
なおニッスイによると一日に排出される水の量は体重60kgの成人男性で2,500mLであり、内訳としては尿1,400mL、糞100mL、汗500mL、肺からの呼気500mLである。1日に必要な水の量は当然2,500mLで、一般に飲料水から1,200mL、食物1,000mL、代謝物300mLとして摂取される。
汗は非常に効率よく体温を下げる機能をもつ。水の蒸発潜熱が大きいのは水素結合が強いことに起因している。
脱水症
体内の水分量が不足した状態を医学的には脱水と呼ぶ。水分喪失量に対して水分摂取量が不足することによって起こる。水分摂取不足、あるいは水分喪失過剰、あるいは水分摂取不足と水分喪失過剰の同時進行によって起きる。具体的には、高温の環境、重作業、激しい運動、発熱、下痢、嘔吐などが原因となって起きる。
水中毒
人体が過剰な水分を投与された場合、細胞外液の浸透圧が異常に下がり、低ナトリウム血症によって悪心、頭痛、間代性痙攣、意識障害等の症状を引き起こす。これを水中毒と言い、輸液ミス、心因性多飲、SIADHなどの結果としてみられる。なお致死量は体重65kgの人で10 – 30リットル/日である。

人間の健康と水

安全な水を飲めるかどうか、ということは人間の健康に大きな影響を及ぼしている。 汚物などに触れた不衛生な水を飲むと、コレラ・腸チフス・赤痢などで命を落とす人が出る。そしてこれらの病気は感染する。体力の弱い乳幼児は、不衛生な水を摂ると、しばしばひどい下痢を起こし脱水症状で死亡する。老人も免疫力が弱く、不衛生な水で命を落としやすい。また、不衛生な水は寄生虫の問題も引き起こす。
古代でも中世でも、人類のほとんどは水道無しで生きていたと考えてよい。都市で暮らすにしても上水道がなかったのである。 安全な水を飲む方法として古代から行われているひとつの方法は煮沸してから口に入れるということである。

水は人間の生活にとって欠かせませんね。とても重要な働きをしていることが判ったと思います。

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