なぜ水は化学のルールを破るのか

真冬の凍った湖のほとり、淡く張った氷の下を、暗い水がゆっくりと動いている。この光景のほとんどすべては、化学的に言えば、間違っている。小さな分子を支配する通常の論理に従えば、物質の固体は、溶けたろうの中にろうそくが沈むように、自らの液体の中に沈むはずだ。氷は底に形成され、湖は下から固く凍りつき、その下にいる魚は逃げ場を失うはずだ。ところが実際には、氷は浮かんで下の水を断熱し、湖は肝心な部分が液体のまま保たれる。

1939年、化学者ライナス・ポーリングは『The Nature of the Chemical Bond（化学結合論）』を出版した。これは20世紀でもっとも影響力のある科学書の一つである。その中で彼は、水分子どうしの控えめな一つの相互作用、すなわち水素結合こそが、水のほとんどすべての特別な性質の鍵であると主張した。そしてその主張は驚くほど長く支持され続けることになった。この記事が答える問いは単純だが、その答えは深い。地球上でもっとも身近な物質が、なぜ私たちの知るほかのほとんどの小さな分子とこれほど違ったふるまいをするのか。

折れ曲がった分子

まず形から始めよう。なぜなら、すべてはその形から始まるからだ。水分子は、一つの酸素原子が二つの水素原子と結合したものだが、それは一直線に並んではいない。酸素原子は、水素との結合に関わる二対の電子と、酸素だけに属するいわゆる孤立電子対を二対もっている。これら四対の電子対はすべて互いに反発し合うが、孤立電子対のほうが結合電子対よりも強く押すため、二つの酸素と水素の結合を内側へ押し込める。その結果、二つの結合の間には約104.5度の角度ができる。穏やかでありながら重大な意味をもつ折れ曲がりである。

この折れ曲がりは見かけ上の細部ではない。酸素は水素よりもはるかに強く電子を自分のほうへ引き寄せるため、それぞれの酸素と水素の結合はかたよっており、酸素にはわずかな負の電荷が、水素にはわずかな正の電荷が生じる。仮に水分子がまっすぐな直線状だったとしたら、この二つのかたよった結合はちょうど反対向きを指し、その引きは打ち消し合って、分子は電気的につり合った状態になるだろう。だが折れ曲がりがその対称性を壊す。二つの結合は今や部分的に同じ方向を指し、その引きは打ち消し合うのではなく足し合わさり、分子は電荷の永続的な分離をもつことになる。化学者がこれを双極子モーメントと呼ぶ性質である。水の場合、その双極子モーメントは約1.85デバイで、これほど小さな分子としては大きい。つまり、折れ曲がった形こそが水を極性にするものであり、その極性こそが水を興味深いものにしているのだ。

重い仕事を担う結合

正の端と負の端をもつ極性分子は、隣の分子に対して自然に正と負を向き合わせて並ぶものだが、水ではこの整列がより特殊で、より強力なものになる。ある分子のわずかに正に帯びた水素が、隣の分子の酸素の孤立電子対へと引き寄せられ、弱いが方向性をもったつながりを形成する。これが水素結合として知られるものだ。

極性分子のなかで水を特別なものにしているのは、その帳尻の合い方である。それぞれの水分子は、隣に差し出せる水素を二つもっているので、二本の水素結合を供与できる。そして酸素には孤立電子対が二つあるので、さらに二本を受容できる。二つの供与体と二つの受容体によって、それぞれの分子は最大で四つの隣接分子と同時に結びつく能力をもち、それらは三角錐の頂点のように、おおよそ四面体状に分子の周りに配置される。ほかのありふれた小さな分子には、供与体と受容体のこのような正確なつり合いはなく、この四方向の連結こそが水のふるまいの背後にある構造上の秘密なのである。

一つ一つを見れば、それぞれの水素結合は弱々しい。その結合エネルギーはおよそ1モルあたり20キロジュールであり、そもそも水分子をつなぎ合わせている共有結合の酸素と水素の結合の約460キロジュールに比べれば、二十倍以上も弱い。だが水素結合の数は膨大であり、それらが一体となって働くことで、液体の水の全体的なふるまいを支配するのである。ここから学べるのは、化学とはしばしば、強い結合の物語ではなく、多くの弱い結合が協調して働く物語だということだ。

同じ衣装をまとった四つの異常

水は、一つずつ取り出して見れば別々の風変わりな性質に見える、いくつかの特徴で有名だ。だがよく見ると、それらは一つの原因に収束する。どれもみな、同じ水素結合のネットワークが残した指紋であり、同じ性質を四つの異なる角度から見たものなのである。

第一は、その高い沸点だ。液体を沸騰させるには、その分子を引き離して気体にしなければならず、水の場合それは、分子どうしを編み合わせている水素結合の網を断ち切ることを意味する。その網は十分に丈夫なので、水は摂氏100度に至るまで液体のままでいられる。これはその小ささから予測されるよりはるかに高い。第二は、その高い熱容量だ。1グラムの水の温度を1度だけ上げるのに4.18ジュールを要する。これは驚くほど大きな量であり、加えたエネルギーの多くが、単に分子を速く動かすことではなく、水素結合をゆるめることに使われるからだ。これが、海岸地帯が砂漠よりも穏やかな気候をもつ理由であり、私たちの体が一定の温度を保てる理由でもある。水は温度の変化に抵抗するのだ。

第三の異常は、凍った湖で見られたものだ。水が凍ると、分子は開いた規則的な格子に固定され、それぞれが四つの水素結合した隣接分子を腕の長さの距離に保つ。この整然とした配置は、実は押し合いへし合いする液体の水よりも実際に余裕があるため、氷はそのもとになった液体より約9パーセント密度が低く、だから浮かぶのである。第四は、高い表面張力だ。水の表面では、分子は水素結合した隣接分子によって内側と横へ引っ張られるが、上には引き上げてくれるものがないため、表面はぴんと張った弾力のある皮膜のようにふるまう。その強さは約1メートルあたり72ミリニュートンで、これは一部の昆虫が池の上を歩けるほどである。四つの性質、一つのネットワークだ。

二つの分子の物語

水素結合がどれほどの働きをするかを最も明快に見るには、この一点を除いてあらゆる点で水とほとんど同じ分子を見つけ、両者を比べることだ。天然ガスの主成分であるメタンは、よい候補である。その化学式はCH4で、モル質量は約16グラム毎モル、水の18グラム毎モルとほぼ同じだ。

似ているのはそこまでだ。メタンは整然とした対称的な分子で、意味のある電荷の分離をもたない。無極性であり、その分子どうしは、分散力として知られるかすかではかない引力によってのみ引き合う。一方、水は極性であり、水素結合が網の目のように張り巡らされている。その帰結は劇的だ。メタンは摂氏マイナス約161度で沸騰するため、室温では気体であり、水が固体の氷である温度よりはるか下の段階からすでに気体だった。それに対して水は摂氏100度で沸騰する。両者の沸点の差はおよそ摂氏261度で、これはほぼ同じ質量をもつ二つの分子の間の途方もない違いであり、それはほとんどすべて、目に見える形になった水素結合なのである。

なぜ水は世界を溶かすのか

水は万能溶媒と呼ばれることがある。本当にあらゆるものを溶かす溶媒など存在しないが、この呼び名は何か実在するものを指している。水素結合を生み出すのと同じ極性が、水に多くのほかの物質を取り囲み、引き離すことを可能にするのだ。塩化ナトリウムのような塩が水と出会うと、部分的に負の電荷を帯びた分子の酸素の端が、正に帯電したナトリウムイオンの周りに群がり、部分的に正の水素が、負に帯電した塩化物イオンの周りに押し寄せる。結晶はイオンを一つずつ引きはがされ、それぞれが向きをそろえた水分子の鞘に包まれる。極性分子や帯電したイオンが水に溶けるのは、こうした理由による。

同じくらい物語っているのは、水が溶かすことを拒むものだ。油、脂肪、そして細胞膜を作る分子の長い炭化水素の尾は無極性であり、水の双極子がつかむものを何も提供しない。それらは水から排除され、寄せ集められる。これは化学の失敗ではなく、生物学の基盤なのである。細胞膜を構成する分子であるリン脂質は、水を好む頭と水を恐れる尾をもち、水の中に置かれると、尾を水から離して内側に安全に折り込み、頭を外側に向けた二重の層へと自発的に配置される。膜とは、つまるところ、水の拒絶によって築かれた構造なのだ。

生命の溶媒と、その中性点

成人の体重のおよそ60パーセントは水であり、その割合は無駄のない筋肉組織ではより高く、乳児ではさらに高い。私たちは、重量で言えば、大部分が溶液なのだ。そしてこれは私たちの働き方にとって付随的なことではなく、その前提条件である。酵素による触媒作用、膜を横切るイオンの輸送、タンパク質が機能する形に折りたたまれること、膜そのものの組み立て、そして細胞を協調させる化学的なシグナル伝達は、すべて水の中、あるいは水の周りで起こる。水溶液の化学は、生命の反応が進行する媒体であり、水の性質が、それらの反応が従う規則を定めているのだ。

水はまた、それ自身の静かな化学ももっている。ときおり、二つの水分子がプロトンを一つやりとりし、一方はヒドロニウムイオン（H3O+）に、もう一方は水酸化物イオン（OH-）になる。これは自己イオン化と呼ばれる過程だ。摂氏25度では、これはごくわずかで一定の程度に起こる。水素イオンと水酸化物イオンの濃度はそれぞれ1リットルあたり1千万分の1モルに落ち着き、これはちょうどpH7.00に対応する。これが化学的に中性であることの定義であり、純水があらゆる酸と塩基を測る基準である理由でもある。ある溶液を酸性あるいは塩基性と呼ぶとき、私たちは、それが純水が自分自身と保っているつり合いからどれだけ離れているかを測っているのだ。

永続ではなく、ピコ秒

水の水素結合ネットワークを、すべてを所定の位置に固定する結晶のような構造、固定された足場として思い描きたくなる。そして、まさにそのイメージに寄りかかった疑似科学が数多くある。だが現実は、それよりも流動的であり、より興味深い。液体の水の中では、このネットワークは動的な統計的な網であり、絶えず引き裂かれては編み直されている。個々の水素結合は、わずか約1ピコ秒、すなわち1兆分の1秒しか持続せず、そのあと壊れて、別の隣接分子と新たな結合を形成する。連結性は一定だが、特定の配置は持続しない。

これが重要なのは、ここで科学がマーケティングと袂を分かつからだ。水がかつて溶けていた物質の記憶を保持できるとか、特別な性質をもった安定した持続的なクラスターを形成するといった主張は、制御された検証に耐えられない。何かを記憶すべき足場など存在しない。情報を蓄えなければならないはずの結合は、毎秒数千億回も消えては作り直されているのだ。水の本物の驚異に飾り立ては要らない。なぜなら、その異常な性質は、絶えず崩れ、絶えず自らを組み立て直すネットワークから生まれるからこそ、まさに並外れているのだから。

重要なポイント

水は折れ曲がった分子であり、その二つの酸素と水素の結合は電子対の反発によって約104.5度に開いている。そしてその折れ曲がりが、まっすぐな分子ならもつであろう電気的なつり合いではなく、約1.85デバイの永続的な双極子を水に与えている。その結果生じる極性によって、それぞれの分子は水素結合を形成でき、水素を通じて二本を供与し、酸素の孤立電子対を通じて二本を受容して、四面体状に配置された最大四つの隣接分子と結びつく。そうした結合は一つ一つは弱く、共有結合のO-H結合の460キロジュールに対して約20キロジュール毎モルだが、集まると水のふるまいを支配し、四つの姿で同じ効果を生み出す。すなわち、摂氏100度という高い沸点、1グラム1ケルビンあたり4.18ジュールという高い比熱、液体より約9パーセント密度が低く、それゆえ浮かぶ氷、そして約1メートルあたり72ミリニュートンに近い高い表面張力である。ほぼ同じ質量をもちながら水素結合をもたず、沸点が約261度も低いメタンとの対比は、たった一つの結合がどれほどのことを成し遂げるかを示している。同じ極性が、水にイオンや極性分子を溶かしながら油や脂肪を排除させ、それが細胞膜の組み立てを可能にし、私たちの体重のおよそ60パーセントを占める水を生命の溶媒として働かせている。摂氏25度で中性のpH7.00に自己イオン化する純水は、あらゆる酸と塩基が判定される基準である。それでもこのネットワークは永続する結晶ではなく、約1ピコ秒という時間尺度で壊れては再形成される網であり、だからこそ水の記憶という俗説は精査のもとで溶け去り、その一方で水の本物の異常な性質は持ち続けるのである。