Biophysics · 23.01

水の構造と性質

Structure and properties of water

🧠 水の特殊性は「曲がった極性分子polar molecule極性分子（polar molecule）polar molecule（極性分子）が、方向性のある水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）を作る」ことから始まる。この構造が溶解性solubility溶解性（solubility）solubility（溶解性）、熱容量、表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）、氷の低密度など生命に重要な性質を生む。

水分子の極性と水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）は、水の異常な性質で扱う密度異常や高い熱容量の共通原因となる。また、水が非極性Nonpolar非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性）基の会合を促すことはタンパク質を安定化する疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）の基盤である。

分子構造と極性

H₂OではO原子の周囲に2本のO–H結合と2組の孤立電子対があり、電子対配置はほぼ正四面体状、分子は折れ線形構造をとる。Oの電気陰性度electronegativity電気陰性度（electronegativity）electronegativity（電気陰性度）が高いためO側が $\delta-$ 、H側が $\delta+$ となり、永久双極子モーメントdipole moment永久双極子モーメント（dipole moment）dipole moment（永久双極子モーメント）をもつ。

flowchart TD
  A["折れ線形の分子構造"] --> B["O–H結合の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='dipole'>双極子</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='cancellation'>相殺</span>されない"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='polar molecule'>極性分子</span>"]
  C --> D["分子間水素結合"]
  D --> E["動的な<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tertiary'>三次</span>元<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fishnet'>網目</span>構造"]
  E --> F["水の特殊な物性"]

1分子は理想的には2個の供与体donor供与体（donor）donor（供与体）と2個の受容体をもち、周囲と最大4本の水素結合を形成できる。液体では結合がピコ秒スケールpicosecond scaleピコ秒スケール（picosecond scale）picosecond scale（ピコ秒スケール）で切断・再形成する動的な網目fishnet網目（fishnet）fishnet（網目）構造である。

性質	分子論的基盤
高い比熱・蒸発evaporation蒸発（evaporation）evaporation（蒸発）熱	水素結合を切るのにエネルギーが必要
高い誘電率permittivity誘電率（permittivity）permittivity（誘電率）	双極子dipole双極子（dipole）dipole（双極子）が電荷を遮蔽shield遮蔽（shield）shield（遮蔽）する
イオン・極性物質の溶解	水和殻hydration shell水和殻（hydration shell）hydration shell（水和殻）形成
疎水性効果hydrophobic effect疎水性効果（hydrophobic effect）hydrophobic effect（疎水性効果）	非極性Nonpolar非極性（Nonpolar）Nonpolar（非極性）面周囲の水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）再編

💡 水は単なる背景溶媒ではなく、タンパク質フォールディングprotein foldingタンパク質フォールディング（protein folding）protein folding（タンパク質フォールディング）、膜形成membrane formation膜形成（membrane formation）membrane formation（膜形成）、分子認識へ能動的に寄与する。

まとめ

水は折れ線形構造をもつ極性分子polar molecule極性分子（polar molecule）polar molecule（極性分子）である。
分子間水素結合が動的な網目fishnet網目（fishnet）fishnet（網目）構造を形成する。
水の熱的・電気的・溶媒的性質はこの網目fishnet網目（fishnet）fishnet（網目）構造から生じる。