第3回

講義内容

• 水の科学史（タレス「万物の根源は水である」から、水素、酸素の発見、水分子の発見、シミュレーションの進歩から高圧氷の結晶相の発見まで）
• 純水とは
• 水の同位体と諸性質
• 水分子間の相互作用
• 水素結合
• 氷の構造 （水の研究史年表を示して、いろんな構造の氷が発見されてきたという話）
• 「一家に一枚周期表」をA4縮刷りにしたものを配布。

第３回の内容に関する質問とコメント

• D2Oがなんで存在し、性質がH2Oと異なるのがよくわからないです。
  →「何で存在し」の方は、中性子１個と陽子１個からなる原子核が安定に存在できるから、という説明になる。これがどうしてかは、核物理の本を探すか、他の物理の講義で詳しくやっている。「性質が異なる」の方は、単純に分子の重さが違うという効果で説明できるものと、そうでないものがある。なぜHとDで同位体の違いが出やすいの理由として、もともと原子が小さいので核の状態が変わった影響が出やすいのではないかと考えられるが、まだ個別の現象について研究中である。
• すごく、水は奧が深いのだと驚きました。先生は何故水の研究をしようと思ったのですか。きっかけが少し気になってしまいました。すいません。
  →きっかけは、大学院（修士）でたまたま生体分子と水の関わりをテーマにすることになり、面白いと思ったから。卒業研究では磁性薄膜の研究だった。博士課程では、最初、小脳の記憶についての研究を与えられたが興味が全く持てない上に失敗し、タンパク質と水の研究で学位を得た。その後は、生体物質関連ではなく、電解質水溶液など比較的単純な系を対象にしている。
• よくテレビ番組で「この水はどんな病気でも治す！」と言われてる水が海外にはあると放送しているが、本当に水だけで病気は治るのですか？
  →水だけで治る人、というか何もしなくても治る人が小数存在することは確かだが、水だけで治ったということがきちんと証明されたことはない。単なるデマである。
• 高校の時、化学の先生に純水は飲み水として適さず、多量に飲むと体に良くないと言われたのですが、どうしてですか？（沸騰した水の水蒸気を集めると純水に近いものが得られると聞きました）
  →それもデマ。水は水分子を単位としてして吸収されるし、水以外の成分は食物から摂る方が圧倒的に効率がいい。純水を飲んでも無問題。ただ、純水製造装置の管理が悪いと、飲用に適さないことがある。
• サプリメントで「DNA」なる商品を発見しました。遺伝子の「DNA」です。肌に効くようなことが書いてありました。恐らくプリンが関係していると思われますが、ビールなどで「プリン体カット」とかいう物が２，３年前に売り出されたような気が……。通風。
  →DNAのATGCの塩基のうち、AとTがプリン、GとCがピリミジン。（typoです）AとGがプリン、CとTがピリミジン。カットする意味がよくわからない……。（訂正）
• H2Oでは分子間にすき間があるのにH2Sではないのはなぜですか。
  →分子の形や大きさも違うし、結合角も違うし、分子間水素結合の強さも違う。（ただ、どのレベルで答えれば理由を説明したことになるのか……）
• 最近、ゲルマニウム温浴が流行してますが、あれはどういうしくみなのですか？本当にダイエットに効くのですか？
  →デマ。ゲルマニウムが人体に有効だという積極的な根拠は全くない上、酸化ゲルマニウムについては過去に健康被害が出ている。いずれにしても、むやみに人体に入れていいものではない。宣伝の中には皮膚から吸収される云々と書いているものもあるが、もし本当にそんなことが起きたら危険である。実際には効果も無いかわりに被害も生じないといったところか。
• ミネラルウォーターなど、水道水でない水を飲むと、若干甘味を感じます。水には甘味を感じる何かが入っているのでしょうか。それとも私の味覚がおかしいのでしょうか。
  →何も入ってないし、味覚がおかしいわけでもないらしい。
  　最近の報道より。「飲食の合間に水を飲んだ際、妙に甘いと感じることがあるのは舌のセンサー（受容体たんぱく質）の甘味感覚を抑える物質が、水で洗い流された反動で起きる可能性が高いことが分かった。米モネル・ケミカル・センスズ・センターなど米独研究チームが24日、英科学誌ネイチャーの電子版に発表した。」
• よく滝などでマイナスイオンが発生するとききますが、それはOH-なのですか？もしそうならばH+はどこへ行くのでしょうか？マイナスイオンのメカニズムに興味があるので、今後の講義での解説を楽しみにしています。
  →この測定をしたのはレナードだが、後から弟子が追試をして、プラスのイオンも出ているという論文を出している。電荷しか測定してないので、分子の種類は不明。
• 枝毛、切れ毛はなぜできるんですか？
• 「白髪は抜いたら増える」というのは本当ですか？
  →行きつけの美容院で訊いてほしい。私もよく知らない。
• なぜ陽子の周りを電子が回っていることが分かったんですか？陽子が＋で電子がーなら、互いを引きつけ合うとおもうんですが。
  →昔の人も同じことを考えた。でも現実の原子はそうなっていなかった。それで、ミクロな世界では、日常とは違う形の物理法則が成り立っているのでは？ということになり、ミクロな世界での電子や原子核の振る舞いを記述する枠組み、すなわち「量子力学」が作られた。
• 科学の世界「科学A」で、先生が、「全ては分子（原子）で構成されている」と言ってました。なぜ私たちは原子が見えないのにそういうことが分かったんでしょうか？
  →空気は目に見えないが確かに何かあることがわかる。簡単な化学反応は、気体の場合だと材料の体積比や重量比が整数になっている。気体と液体の状態変化で、見えなくなったり見えたりする。などなど、いろんな実験を積み重ねて、物質は原子からできていると考えるとすべての性質を説明できるという結論に至った。
• スーパーなどでもらえる「アルカリイオン水」をあんまり飲むと胃液？胃酸？が中和されて消化にさしつかえると誰かが言ってました。そんなことあるんですか？
  →アルカリイオン水でなくても、大量に飲めば胃酸が薄められることは確かである。また、中和反応は、酸と塩基それぞれの電荷が一対一で反応する。アルカリイオン水の中に入っている塩基は少ないので、中和の効果もそれなりでしかない。
• 純粋な水はなぜつくれないんですか？なぜ水は特別な性質が多いんですか？
  →ある程度まで純度を上げて、不純物が検出限界以下になってしまったら、本当はどうなっているのか知ることができないから。普通は、検出できなくなったあたりで便宜上純水と呼んで使っているが、特に問題はない。水に変わった性質が多いのは、分子のサイズに比して分子間の引力が強いことが主な原因である。
• Hに、中性子をもつものがあることも、15Oの存在も初めて知った。15Oにおいては、その性質から医療用として用いられることは、新しい知識だった。また、今日の講義で思い出したのは酸化鉄(II)と酸化鉄(III)の中間の酸化鉄があるという話だった。その鉄はどのような用途で使われているのだろうか。
  →物質名がわからないことには何とも答えようがない。
  【追記】三酸化四鉄 Fe3O4 のことではないかという指摘をいただいた。酸化数が非整数の鉄原子が存在するわけではないが、Fe3O4 は2価の鉄原子と3価の鉄原子が混在しているので、中間、という表現になったのかもしれない。
• 太陽は水素の核融合を起こして熱と光を発生させていると聞いたことがありますが、どういうメカニズムでそれは起こっているんですか？
  あと、切り花を飾るときに花瓶の水に10円玉を入れておくと長持ちすると言いますが、化学的にどうなんでしょうか。
  →太陽は、４つの水素の原子核が融合して１つのヘリウムの原子核になる核融合反応を行っている。ヘリウム原子核を作るときに減った質量の分だけエネルギーが発生する。
  10円玉について。材料が銅なので、水に微量溶けることで雑菌の繁殖を抑えている可能性がある。実際、大量培養装置の配管に銅の合金を使って菌が死んだ例もある。
• 水（だけではないのでしょうが）は気圧によって沸点が変化すると聞いたのですが、ならば宇宙では水は0℃で沸騰するのですか？
  →宇宙では、ほとんどの場所で温度が低い上に物質の存在密度が非常に小さい（星の部分を除外すれば、分子や原子がまばらにしか存在しない）ので、沸騰するというイメージではない。１個ないし、せいぜい数個の水分子が、温度が低いために氷（といっても結晶になれるほど数がないから単に固まってるだけ）になって浮いている。
• スノボーやスキーはどうして雪の上をすべれるのかというのはまだ解明されていないと聞いたのですが、本当ですか？
  →これは私もよく知らない。スケートであれば、圧力をかけると氷がとけて、水が潤滑剤となって滑るということが分かっているし、スノボーやスキーでも同じ現象が起きないとは言えないが……。
• 金属結合や共有結合がどんなものか忘れつつあるので助けてください。
  →金属結合は、金属の原子が価電子を出して、すべての原子で共有することでできる結合。共有結合は、非金属の原子同士の間で電子を共有しあってできる結合である（ある電子を共有できるのは、お互いとなりあった原子だけ）。
• イオンの状態を目で見ることはできるんですか？
  →イオンの価数が変わると色が変わるものなら、目で見て確認できる。個別の分子や原子は見えないので無理。
• 過冷却水が氷になる前に人間が指を入れることは出来るんですか。また出来るならどうなるんですか。
  →入れることはできる。予想では、それをきっかけにして凍るが指は温度が高いので、指のまわりだけ液体のままになる。
• 15Oが医療目的で使われていると言っていましたが、他の酸素ではダメなんですか？
  →放射線を出し、かつ半減期が短いという条件を満たす酸素の同位体は15Oだけ。
• 最近発見されたらしい元素「ウンウンビウム」（すごい名前なのでよく覚えています）が一家に一枚周期表に載っていないんですが、僕が見た周期表は間違っているのでしょうか？
  →ウンウンビウムは暫定名で、原子番号は112番。正式名ではなくまだ暫定名なので、一家に一枚周期表には名前が出ていないのでは。
• 岩石に含まれる鉱物は、種類によって独特の結晶の形がありますが、水にもそういう形があるのですか。それは、雪の結晶の形がそれなのでしょうか。
  →今日の内容で説明する。
• 元素の半減期は一体どうやって調べたのですか？半減期が短い元素は簡単だと思うのですが、何億年という半減期をどうやって調べたのか不思議に思う。
  →たくさんあれば、どれくらいの期間に何個崩壊するかを調べて、長い半減期でも推定できる。また、同位体の存在比からも推定できる。
• O3はすぐ別の物質に変わってしまうならオゾン層はもうなくなってしまっているのでは？
  →強い紫外線でオゾンができる。紫外線は常に降り注いでいるので、オゾンも常に作られ続けている。
  格子定数aとcの違いは？
  →便宜上名前を振ったもの。長軸方向をcと呼ぶことが多い。
• モル磁化率って何のことですか？
  →外から磁場をかけたときに物質に磁気モーメントが生じる（＝磁石のような性質、と思えばよい）。１モルあたりの磁気モーメントがモル磁化率。
• 常温で水を放置しておくと、時間がたつにつれて蒸発してしまうのはなぜですか？
  →空気中の水蒸気の量はたいていの場合まだ飽和していないから、水から水蒸気になることができる。
• 0℃で凍らない水の話のところで、0℃以下に温度が低下して水がこおってない状態で先生は「あるきっかけでこおる」という表現をしてましたが、「あるきっかけ」とはどんなきっかけによってですか。普通は水は0℃でこおってしまうのでナゾでした。
  →瓶を揺さぶって衝撃を与えるとか、小さな氷のかけらを入れるなど。
• 人間が植物のように人工的に有機物を作り出すことはできますか？
  →無機物から有機物を作ることはできない。有機物からであれば、必要なものを（全てではないが）作ることができる。 【追加説明】この回答の意味は、植物のように二酸化炭素や水から人間が（エネルギー源となるような）有機物を作ることができない、という意味である。歴史的には、尿素（有機物）が化学合成されたので、有機物と無機物の（生気説的な）違いはない。
• 火って何からできてるのかが気になります。重さがあるようでもないし、形はあるように見えますが。
  →気体だが、組成については何を燃やしているかによる。
• 限りなく純水に近い水は電気を通さない（絶縁体？）になると聞いたことがあります。どんな仕組みなのでしょうか？
  →もともと純水は自由電子を持たないので絶縁体である。電解質が混じっていると、金属表面で電気化学反応が起きやすくなり、電流が流れる
• 例えば日常生活を送っている時に36℃という温度はかなりの暑さになりますが、お風呂の温度が36℃というのは温い、むしろ冷たく案じます。同じ36℃という温度なのに、水と空気では感じ方が違うのはなぜでしょうか？
  →風呂は熱いもの、という先入観を別にすれば、熱容量や、熱伝導の違いがある。水にくらべて空気は熱を伝えにくいし、暖まりやすい。36℃はほぼ体温だが、体温より少しでも温度が低い水は、空気に比べてずっと効率よく体から熱を奪うことができる。
• ホタルが夜出しているあの光からは、少ししか熱が放出されていないと聞いたのですが、普段使っている電灯などからは、熱が感じられるような気がするのです。ATPを利用したホタルなど生物体内での発光現象と、電灯などの発光はどこに決定的な違いがあるのですか？ホタルが50cmあればすごい光になりそうです。
  →どんな物でも温度が高くなれば電磁波を出し、温度が高くなるほど赤く暗い色→黄色っぽい色→青白い色になる。温度がそこそこのうちは、赤外線は出すけど可視光は出さないので目には見えない。電灯が光るのは、フィラメントの温度が上がっているから、赤い光も赤外線（熱線）も同時煮出す。ホタルの光の場合は、全体の温度が上がって光っているのではなく、酵素反応に伴うエネルギー差を光として出しているので、熱はわずかしか出ない。高温にしないで光るものには、発光ダイオードなどがある。
• どうしてNaを川に投げ込むと爆発するんですか？難しい原理なのですか？
  →急に化学反応して熱を発生させるから。どんな化学反応でも、急激に進んで発熱量が多ければ爆発が起きる。
• 過冷却水ってものを初めて知ったけど、スゴイと思った。過冷却水は日常ではどうしても作れないんでしょうか？水を一瞬で氷にできるなんて、すごくワクワクします。やってみたいです。
  →理科の実験では、-5℃までしか冷やせないポータブル冷温庫を使って、ペットボトルでやっている例がある。
  http://socyo.high.hokudai.ac.jp/more_html/buturi/NEWS/bsn9911/a03.htm
  普通の家庭用冷凍庫でも、注意深く実験すればできる。デジタル温度計位は用意して、何回か繰り返してコツをつかむ必要はありそうだ。
  http://www.ohbsntv.com/kitchen/exp.html
• 「計算機の中で氷を作る」という意味がよくわかりませんでした。シミュレーション上で完成したということでしょうか。
  →水分子の運動を全部計算して、温度を下げたときに、氷の結晶構造をとったということである。
• 食器用の洗剤にグレープフルーツなどのかんきつ系のフルーツの成分が入っているのをよく見かけるのですが、本当にききめがあるんですか？
  →皮の成分にリモネンという物質が含まれていて、溶剤として働くので、油汚れに有効である。
• 身近にある水が自分の全然知らない性質や様々な形になることにおどろきました。水素結合の結合距離と角度がちがうと性質がかわったりするのですか？
  →結合距離や角度は物質によって決まっているので、物質としての性質と水素結合が違うことによる性質を分けて考えることはできない。
• 血圧計や体温計に水銀が入っているのはなぜですか。水銀の特徴は融点が低くて常温で液体であるしかわからないのですが。
  →ガラス面を濡らしたり付着したりしないので、同じ温度のときにいつも同じ目盛りを指すから。
• 15Oが薬に合成されて体のたまり具合をみるのに利用されるとおっしゃっていましたがそれは特にどんな利点があるんですか？
  →主に脳の機能の検査。ブドウ糖や酸素を大量に消費しているので、酸素の動きがわかれば、脳の血流量・血液量・酸素摂取率・酸素代謝率などがわかる。
• 実験のことで１つ案がうかんだので、脂質のせき出方法をおしえてください。
  →抽出方法だと思うが……。材料をすりつぶして、水が混じらないが脂質は溶ける有機溶媒を加えてよく攪拌して、脂質を溶媒に溶かし込んだ後で、有機溶媒の部分を回収して溶媒を除去する、といった手順になるはず。ただ、何を抽出するかでいろいろな方法があるので、生化学の実験法の本を図書館で調べてみてほしい。
• 水には完全な純水がないならば、物質単体としての水というものは存在しないんですか。
  →どのあたりで妥協するかの問題。厳密に単体というのは存在したとしても分析技術の限界のため確認しようがない。検出できないほど不純物が少ないものを純水と呼ぶことにするのはかまわない。
• 化学が好きな友達がいます。その子は研究者になりたいと思っていますが、どうやったらなれるのですか。
• 水道水を湧かして冷蔵庫にいれておくとおいしい水ができるとききました。どうしてですか？
  ヘルモントはビーカーが溶けたのが目には見えてなかったんですかね。普通ガラスが溶けたら目に見えますよね？
  →沸騰させると殺菌に使った次亜塩素酸のカルキ臭が抜けるから。
  【追記】水の臭いや味をもっとも敏感に感じるのは体温程度の水を飲んだ時なので、冷やすだけでもおいしく感じる。
  ビーカーが溶けた量は、多分ごくわずかなので、ビーカー表面を観察してもよくわからないだろう。きれいだったビーカー表面に残るものがあって気づいたのではないか。
• 何かの本に、マイナスイオンと陰イオンは別物だと書いてありました。その本には、トルマリンもインチキだと書いてありました。
  →まともな本である。
• 半減期で減った半分はどこへ行くんでしょうか？
  →別の元素になる。原子核の陽子の数が変わるので。
• たしかClもNとタイで３位ですよね（電気陰性度）
  →その通り。
• pptは何を表しているのですか。
  →ppm(parts per million)　　100万分の1
  　ppb(parts per billion)　　10億分の1
  　ppt(perts per trillion)　　1兆分の1
  　ppq(parts per quadrillion)　1京分の1
• 海でも氷が水面に浮いているけど、海水は塩分が含まれているから、水とは違うから、氷は沈むのではないのですか？
  →塩水の方が真水より重い（例：海水よりもずっと塩分濃度の高い死海では、人は非常に浮かびやすくなる）。水は氷になるときに、不純物を置き去りにして水分子ばかりで氷になる。塩水を凍らせても、固体の部分は普通の水で、残った液体の部分が非常に塩辛くなる。砂糖水でも同様。
• 一口に水と言っても、様々な歴史があることに驚いた。また、透明できれいなもの（水）の中が複雑で、化学で発見できたり。証明できるということを知れてよかった。
• 純粋な水は存在すると思っていたが、必ず不純物が混ざることがわかり、驚いた。水についてあらためて勉強できたので良かった。
• 資料読むだけでは物足りない。手を動かす作業をしたい。
• 資料の字ばもう少し大きくても良い。（少し小さい気がする）
• 計算機の中で水が凍ったって話が面白かったです。
• 水について今まで知らなかったことがあったので今日の講義は面白かったです。
• アトピーの話のときの「悪い人間が世の中にはいることを知っておいた方がよい」という先生の言葉が耳にのこった。高圧氷を見たいと思った。
• 「前回の講義に対するコメント」の部分で、他の人がどんなことに疑問を持ったりするのかを知ることができ（それに対する答えももらえたし）、それによって今まで自分が気にとめていなかったことに関心を持つことができました。
• 前回の質問について細かく解説してくれたのでよかった。
• 前回の質問に答えていただきありがとうございました。
• 高校のときに化学をしてきたが、水について改めて考えることができて、よかったです。身近な物質ほどわからないものだと思いました。
• 純粋な水がないことを初めて知った。雪の結晶にはどうして様々な形があるのかギモンに思った。
• 昔の人の失敗があって今の化学、科学があるのだと思った。
• 少しつっこんだ内容だったので非常に興味があって聞けておもしろかった。
• 今回は高校で習ったことより深いことがきけてよかった。高校の時、化学の先生が水素結合がとても好きだったが、よくわからなかったので、今日知れてよかった。
• 身近な水にこんなにたくさんの歴史があるなんて知りませんでした。
• 水って奥深いなあと改めて思いました。
• この前、他の人がアトピーのことを書いていたので私も書いてみました。私も医者から皮膚体質なので治らないと言われました。ずっとステロイド剤とつき合っていかなければいけないのですが、長期使用による皮膚への害はありませんか？ステロイド以外の薬はないのですか？
• 私もアトピーなので、本を紹介してくださってありがとうございました！妹が、水ではないのですがアトピーのための装置とかを買ったりして、もったいないと思っていたので、親にもすすめさせていただきます。
  →アマゾンで買うならこれで情報が出る。
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• 水素結合とファンデルワールス力が再確認
• 高校の復習になってよかった。
• H2OとH2Sというものを知ることができた。
• コメントに対して返答ありがとうございます。今日、実際に「新しい高校化学の教科書」を買って読みたいと思います。
• 復習できよかった。
• 水が氷になるとき、上の方から凍るのを初めて知った。氷が液体に浮くのはすごいことなんだと改めてわかった。
  →冬場のワカサギ釣りもできるし。
• 高校時に化学を履修していたので、講義の内容は分かった。少しゆっくり話していただきたい。
• わからないです。
• 高校で化学をとらなかったので、まったくわからなくて困っています。
• 2000年も前から見ずについて（しかも哲学的に）考えている人達がいるなんてすごいと思った。
• 今日の授業でなぜ沸点に違いがでるかわかりました。
• 「水」について不思議なことが多く学べておもしろかったです。水の状態変化について詳しく調べてみたいです。
• 講義を受けてあらためて高校の化学を勉強しなおしたいと思いました。
• ヘルモントの柳の実験を知って……今となっては水が木を作るなんて、とんでもない話だと思ったが、光合成が知られていなかった当時では、この説はとても素晴らしいものだったのだろうなあ…。こんな説があったと聞くと、今現在私たちが信じている説も、もしかしたら事実と全く違っていて、未来の人に笑われてしまうのかな、とも思った。
• 生物に必要な物質の溶媒は水でないとだめなんだなと感じました。
• レポートで「科学的に怪しい物」を題材にするとのことですが、もし怪しいと思って調べた物がある程度効果あると判明した物でもレポートとして提出できますか。
  →具体的なものを取りあげているかということや、議論の展開、自分なりの判断が書けているかどうかを見るので、提出してもらってもかまわない。