Biophysics · 23.02
水の異常な性質
Anomalous behaviour of water
🧠 水の異常性は、冷却すると単純に詰まるのではなく、水素結合が開いた正四面体状構造を作ることに由来する。 その結果、密度は4℃で最大となり、氷は液体水より軽い。
水の水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）が低温で開いた構造を作るため、密度極大や氷が浮く現象が生じる。その圧力・温度依存性biological temperature dependence温度依存性（biological temperature dependence）biological temperature dependence（温度依存性）は水の相図phase diagram相図（phase diagram）phase diagram（相図）に固液共存曲線coexistence curve共存曲線（coexistence curve）coexistence curve（共存曲線）の負の傾きとして現れる。
密度異常
通常の液体は冷えるほど密度が上がるが、水では4℃以下になると水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）の秩序化が熱収縮を上回り、体積が増える。凍結すると開いた六方格子grating格子（grating）grating（格子）が形成されるため、氷は浮く。
flowchart TD
A["水を4℃以下へ冷却"] --> B["水素結合の正四面体状秩序↑"]
B --> C["開いた構造が増える"]
C --> D["体積↑・密度↓"]
D --> E["氷が液体水に浮く"]| 異常な性質 | 生物学的意義 |
|---|---|
| 最大密度が4℃ | 冬に4℃の水が湖底へ沈む |
| 氷が低密度 | 表面だけが凍り断熱insulation断熱（insulation）insulation（断熱）層になる |
| 高い表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力） | 液滴形成、毛細管現象capillary action毛細管現象（capillary action）capillary action（毛細管現象） |
| 高い熱容量 | 体温・環境温度の変化を緩衝する |
| 高い潜熱 | 発汗による効率的冷却 |
⭐ 湖が底から凍らないのは生態系維持に重要である。さらに高い熱容量と蒸発evaporation蒸発（evaporation）evaporation（蒸発）熱は生体の熱収支net yield収支（net yield）net yield（収支）を緩衝し、発汗による冷却を可能にする。
まとめ
- 水の密度は4℃で最大となる。
- 氷の開いた格子grating格子（grating）grating（格子）は液体水より低密度である。
- 高い表面張力surface tension表面張力（surface tension）surface tension（表面張力）と熱容量も水素結合網hydrogen-bond network水素結合網（hydrogen-bond network）hydrogen-bond network（水素結合網）に由来する。