水の性質とは｜定義・物理化学的特徴・万能溶媒性と状態変化
水（2HO、HOH）は、液体および固体（氷）の状態で地球の表面の70～75％を占め、大気中では蒸気として存在している。地球上で最も多く存在する分子である。 分子式は一般にH2Oと表され、分子量は約18.015 g·mol⁻¹である。水は生命に不可欠な溶媒であり、地球の気候や地質過程、生物の代謝反応などに深く関わっている。
物理的性質： 常温ではほぼ無色、無味、無臭の液体である。水分子は極性をもち、分子間で強い水素結合を形成するため、同じ分子量の非極性分子と比べて融点・沸点が高く、表面張力や粘性も大きい。代表的な値としては、標準大気圧での融点0.00 ℃、沸点100.0 ℃、4 ℃での密度が約1.00 g·cm⁻³（密度の最大値）、比熱容量は約4.186 J·g⁻¹·K⁻¹、蒸発潜熱（気化熱）は約2256 kJ·kg⁻¹、表面張力は20 ℃付近で約72.8 mN·m⁻¹である。水は三重点や臨界点を持ち、自然界で3つの物質状態すべてにおいて存在し得る点が特徴的である。
化学的性質：水は極性溶媒としての性質に加え、両性（アンフォテリック）であり、酸としても塩基としても振る舞える。自己イオン化（オートプロトリシス）によりわずかにH+（実際には水和したH3O+）とOH−を生成し、25 ℃でのイオン積Kwは約1.0×10⁻¹⁴となる。このため純水のpHは理想的には7とされる（温度によって変化する）。また、水は多くの酸化還元・加水分解反応に参与し、化学反応の媒介者・反応物として重要である。
溶媒としての特徴：多くの物質が水に溶けるため、一般的には万能溶媒とみなされるが、これは「あらゆる物質を溶かす」ことを意味するものではない。イオン性化合物や極性分子は水和（ユニットが水分子で囲まれる現象）によってよく溶ける一方で、非極性の有機化合物（油脂など）は水に溶けにくく、疎水性相互作用によって相分離する。水には高い誘電率があり、イオンを互いに隔離して溶解させやすい点も重要である。
天然水と純水の違い：自然界や利用される水は、溶存イオン（カルシウム、マグネシウム、ナトリウムなど）、溶存ガス（酸素、二酸化炭素）、微量元素、有機物や微生物を含むことが多く、これらが味やにおい、物理化学的性質に影響を与える。実験室で用いる蒸留水、脱イオン水、超純水（Milli‑Qなど）は不純物を極力除去しており、性質や挙動が天然水と異なる。とはいえ、完全に水に溶けない化合物（強い疎水性を示す物質や分子集合体）は多数存在する。
水は、3つの状態すべてで自然に存在する一般的で稀有な物質であり、その独特な物性（高い水素結合性、比熱、表面張力、溶媒性など）が地球上の環境や化学・生物学的プロセスを支えている。
純粋な水は無味です。水に含まれる他の化学物質が、水に風味を与えることがあるのです。
水の異常な性質
一般的に液体は加熱すると体積が大きくなりますが、水は0℃～4℃の温度範囲で加熱すると体積が小さくなります。4℃以上になると体積が増加する。これは、水の不思議な性質の一つである。
この体積減少の性質を利用して、魚などの水生動物は、水面に氷が張った状態でも生存することができる。寒冷地では、水の温度が4℃になると、冷たい空気に触れている上部の水の層は熱エネルギーを失い続け、温度は4℃以下になる。4℃以下になると、水は4℃で密度が最大になるため、これらの層は沈むのではなく上昇します。したがって、4℃の水の層は底に残り、上には3℃、2℃、1℃、0℃の水の層が形成されます。氷は熱伝導率が低いので、氷の層の下にある液体の水からの熱エネルギーの移動を許さず、液体の水が凍るのを防ぐことができる。したがって、そのような場所でも水生生物は生存している。
質問と回答
Q: 地球の表面の何パーセントが水で覆われていますか?
A: 地球表面の70～75%は水で覆われています。
Q: 地球上の水はどのような状態にありますか?
A: 水は液体と固体（氷）の状態、また大気中では水蒸気の状態で存在します。
Q: 地球表面で最も多く存在する分子は何ですか?
A: 地球表面で最も豊富な分子は水です。
Q: 室温での水の性質は?
A: 常温では、水はほぼ無色、無味、無臭の液体です。
Q: なぜ水は万能溶媒と呼ばれるのですか?
A: 多くの物質が水に溶けるので、万能溶媒と言われています。
Q: 自然界でも使用中でも、水は常にきれいですか?
A: 自然界や使用中の水がきれいであることは稀で、実験室での性質とは異なる性質を持つことがあります。
Q: 自然界に存在する物質で、3つの状態すべてで見られるものは他にありますか?
A: 水は、3つの物質のすべての状態で自然に見られる、唯一の一般的で純粋な物質です。
