Cooperativa WATER PLANTは、地球環境にとって大切な「水」を考えます。

水の粒子はどんな形

水の粒子はどんな形

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水の粒子はどんな形をしているのか?

燃料や電気分解などの化学的な手法を使って水は「水原子が2個と酸素原子が1個」でできていることが分かりました。しかし、粒子1個の水がどのようなものであるか知りたいと考えるのはなにも科学者だけではないでしょう。

水分子の中の水素原子2個と酸素原子1個の結びつきを「化学結合」と言います。20世紀に入ると「量子力学」という理論が確立し、化学結合は原子の周りをまわっている電子によって起こることが明らかにされ、メンデレーエフの周期表が物質を理解するために化学の中心に躍り出てきたのです。

しかし、実験装置がいかに進歩しても、非常に小さい原子や分子を直接見ることはそれほど簡単ではなりません。水分子1個の大きさは分かっても細かい形まで見分けるのは電子顕微鏡を使っても至難の業です。水分子は直接その外形を見なくてもマイクロ波や赤外線などを使って調べることができます。

化学結合の立場から見てみます。そのためには原子の「球」をさらに詳しく調べる必要があります。原子の球の中心にはごく小さいけれども質量の大部分をもつ原子核があり、その周りを体積的には大部分を占めている電子が回っています。化学結合の主役は電子ですから、電子に注目して水分子を考えてみます。

量子力学によれば、電子がまわる軌道は線ではなく雲のようなかたちをしていますが、化学結合を考えるときには電子が回る軌道を線で描くほうが分かりやすいです。

第三周期までの原子では、電子は大抵の場合2個1組で対を作ると安定になる性質があるので、原子同士は電子を出し合って対をつくって安定な分子になります。これを化学結合といいます。

例えば、水素原子は2個結合して水素分子、酸素原子も2個結合して酸素分子になります。水素原子2個はお互いに電子を1個ずつ出しあって電子の「対」をつくって安定になります。この対を結合手と呼び、1本の棒で表すことになっています。

酸素原子は2個ずつ出し合っての2本の「手」で結合したものと、1個ずつ出しあっての1本の「手」で結合したものがありますが、1本の手の酸素分子のほうが安定なので、私たちが呼吸している酸素は1本の手の酸素分子です。

第三周期までの元素でできている分子で対をつくっていない電子を「・」で表し、「ラジカル」と呼びますが、このラジカルは他の物質と非常に反応しやすい性質があります。対をつくっていない電子を2個もつ酸素分子はかなり例外的な存在です。しかし、このラジカルのおかげで生物は地球上で繁栄を続けているのです。

私たちの体の中にはもう一つ重要な物質があります。それはHO2という分子式で表される超酸化水素です。超酸化水素は不対電子を1個もつラジカルで発ガン作用がある「悪玉」として有名ですが、実は善玉でもあって、私たちの体が正常に働くために重要な役割を果たしています。H2O2もHO2も不安定な物質(他の物質と反応しやすい)で、放置しておけば自然に安定的な水(H2O)と酸素(O2)に分解します。生体内ではこの分解速度を速めるための酵素、H2O2にはカタラーゼ、HO2にはスーパーオキシドスムターゼがあります。

ひとくちに水素、酸素、水といってもさまざまな形態があることをお分かりいただけたでしょうか。

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