もいすちゅ〜の水分講座

水について考える

水の特徴

皆さんご存知でしたか?
人間の大人の約6割、子供の約7割が体液と呼ばれる水分でできていて、1日2.5Lの水を補給することが必要です。
このように私たちの身近にある物質「水」に関して紹介します。

もいすちゅ〜「ぼくの体も水でできてまちゅ〜」

1 水の様々な状態

水は、固体(氷)、液体(水)、気体(水蒸気)の3つの状態で存在し、温度・圧力によって状態が変化していきます。例えば、よく見る水は、凍らすと氷になったり、温めると水蒸気になります。
例えば氷から水になる際は融解と呼ぶなど、状態変化に各名称がついています。また、一つの特徴としてドライアイスやヨウ素と同じように固体から液体を介さず気体に変化する昇華が起こります。
皆さんの生活の色んなシーンで見かける欠かせない存在です。

また、氷(固体)・水(液体)・水蒸気(気体)の3つの状態が平衡して共存している箇所を三重点と呼んでおります。同時に3形態が存在しているのは面白いですよね。実はこの状態が、全物質の温度を定義する上で重要な値になっております。
水の三重点の温度はSI規格のK(ケルビン)を用いて、273.16 K(=0.01℃)と決まっておりました。これが、Kの定義として広く知れ渡っていました。
しかし、2019年5月20日に、ケルビンの定義変更が施行され、ケルビンの定義は、ボルツマン定数という秒・メートル・キログラムの定義に依存することになりました。

イラスト:水の様々な状態
もしかして、
水の三重点も変わる?

過去、水の三重点温度は、分子を構成する同位体の違いにより不一致が見られました。2019年のケルビンの定義改定でだいぶ解消はされたものの未だ課題は残っているようです。もしかしたら、今後より正確な値が提示されるかもしれません。

<参考文献>
計量標準総合センター、熱力学温度の単位「ケルビン」の定義改定、SI文書第9版(2019)

2 水の表面張力の不思議

水を、満杯のコップにいれると溢れにくいですよね。また、何もない表面に水を垂らすと玉みたいになります。これは、水の分子構造が影響し表面張力が働いているからです。
水の分子構造は、O(酸素)原子1つとH(水素)原子2つから成り立っており、O原子は両手にH原子とO-Hの共有結合をしております。
また他の水分子とも水素結合という引き合う力が働いております。この力が表面張力の源になっております。
また、水分子は、折れ線形に結合し極性が現れるので、極性分子です。なので、水は油のような無極性分子と一緒に混ぜようとしても混ざりません。

イラスト:水の表面張力の不思議

3 水素結合を用いた静電容量式露点計

テクネ計測の静電容量式露点計のセラミックセンサーや高分子センサーでは水分子の極性による水素結合を利用し、水分を検知しています。センサー検知部にO原子を多数存在させ、このO原子によるマイナスの極性と水のH原子のプラスの極性で起こる水素結合を利用しております。上図でもお分かりの通り、セラミックセンサーの方が高分子センサーよりもO原子の数が多く、故に感度が高く、微量水分を検知できるのです。
一方で、極性のある分子がセンサーに触れると、水と同様の挙動を示し誤差やセンサー劣化の原因になります。

例:NH3、CH3COOH

イラスト:構造式
セラミックセンサー部※の構造式
イラスト:構造式
高分子センサー部 ※の構造式※イメージです