Q&A補足：水のサイエンス

補足：液相クラスター

	Q&A:
	液相クラスター

　水は地上でもっともありふれた物質で、水なしに生命を考えることはできません。ところが、その性質は、在来の化学では捉えきれないものでした。

水の不思議

　水：H₂Oの分子量は約18、沸点は100℃、氷点は0℃ですが、同じ酸素属（16属）の水素化物中、例外的に高い値です（＊H2O，H2S，H2Se，H2Te など。たとえば硫化水素：H2Sは分子量34、融点-82.9℃、沸点-59.6℃。他もすべて常温で気体です)。
　また、固体の氷は液体である水より軽い、というのも不思議です。固体では分子間が強く結合しているので、体積は液相より減少するはずですが、何故、氷は水に浮くのでしょうか。

H₂Oの電子軌道

		出発点は前出、酸素の電子構造です[酸素分子軌道]。水素2個と酸素が造る水の分子は四面体型で、少し歪みがありますが、ほぼ　炭素のsp3混成軌道と共通です。 4本の軌道のうち、共有電子対2本は水素-酸素の原子核の間にあります。非共有電子対(ローンペア)2本は、水素と反対側にあります。つまり、分子中のマイナス電荷は後側に広がり、＋電荷は前面のH原子核にあります。このように、分子中で電荷が分かれて分布することを分極と呼びます。
		分極した分子の間では、引力と反発が働きます（＋と－は引き合い＋同士－同士は反発）。そのために　-H-O-H-O-H- という形の弱い結合力が働き、これを水素結合と呼びます。水は水素結合で結ばれた柔らかな塊のような状態で、クラスターと呼ばれます。

水素結合クラスター

　水の特異性は、水素結合とクラスタによるものです。高い氷点や沸点は水素結合のエネルギーにより、氷の体積増加はクラスタの構造変化によるものとされます。
　　クラスターは固定構造ではなく、揺らぎも大きく、たとえば六角形や格子、鎖状などさまざまな形があるようです。形も大きさも常に変動するのでダイナミック・クラスターと呼ぶこともあります。
　

油脂の疎水性

水と炭化水素のメタン：CH₄を比較してみます。どちらも4面体ですが、CH₄の4軌道はいずれも共有電子対で、電荷は均等に分布し、分極はありません(非極性)。
　このため水素結合もなく、炭化水素を水中においてもクラスターから除外されます。これが、水と油は混じらないという疎水性の理由です。

　ただし、油脂を構成する脂肪酸の一端は-COOH基です。この部分だけは分極して水素結合をつくる、つまり親水性であることが、生体内での脂質の挙動、特に生体膜に深く関係しています。

生命と水素結合

ちなみに、水素結合はさまざまなたんぱく質の形成やDNA二重螺旋構造にもかかわっています。エネルギー代謝をになう呼吸鎖のプロトン輸送も水素結合によるものとされます。つまり、水の存在は生命誕生の前提です。

参考：「分子クラスターから始まる新たな液体のサイエンス」

資源環境技術総合研究所、脇坂昭弘博士　