水c.ppt

水は不思議な液体

－常温水・高温水・超臨界水－

水の三態

90 100 110 120 130 0 1 2 3 温度 / ℃ 圧 力 / at m 加圧下の水の沸点

圧力鍋の効用

0

50

100

0

500

1000

温度 / ℃

蒸

気

圧

/

m

b

物質の三態 固相 気相 臨界点 融解曲線 蒸気圧曲線 昇華曲線 100 0 0.01 液相 水と惑星 固相 液相 気相 金星 CO₂ 火星 CO2 土星 H₂ 地球 O2+ N2 100 0 0.01

水の惑星－地球 表面地殻での存在比 O：49.5、H：0.87（Clarke 数） 宇宙での存在比 O：6×10-4_、H： 1.0 海水表面積 地球表面積の71% 大きな熱容量 4.18 J K-1_g-1 cf. エタノール 2.3 金属 0.5~1 人体の水 体重の65% 溶かす：極性分子やイオン 溶かさない：蛋白質など 生命体に好都合 元素 モル％ O 54.6 Si 16.2 H 14.7 Al 4.9 Na 2.0 Fe 1.5 Ca 1.5 C 0.2

ほとんどの水の特異な性質の原因は

水素結合

104.52º 0.0957nm 水分子 固相 気相 水 水分子同士の分子間相互作用 が水分子の集団の諸性質の源 である。 100 0 0.01 液相 分子の間に働く相互作用－１ 分子のレベルでの総ての 相互作用は電気的な力に よって引き起こされている –0.64e +0.32e +0.32e d-d+ d+ 双極子モーメント m=1.94 Debye H ― C l + + d+ d-原 子 の 電 気 陰 性 度 の 違 い 双 極 子 モ ー メ ン ト _{双極子モーメント} mm 原子の電気陰性度の違い 1 2.98Å H H O H H O 58 ° 水素結合 d+ _d– d– d+ d+ 2 水素結合

水分子間の結合エネルギー （分子間ポテンシャル） E 0 2.98 Å H₂O + OH₂ R –6.72 kJ mol-1 /10-21_J –11.2 水素結合は大きな引力的相互作用 e s 分子の間に働く相互作用－２ r s 斥力的 引力的 s 分子 e / kJ mol-1 s / Å Ar 1.00 3.41 Xe 1.90 4.06 CO2 1.49 4.49 HCl 2.73 3.36 H₂O 6.72 2.64 水の構造－Ｉ 水素結合 双極子モ－メント(気体） m=1.8 D –0.64e +0.32e +0.32e 氷－Ｉ 液体 気体 1.01 1.75Å 2.76Å 2.85Å 2.98Å

van der Waals距離 1.2+1.4=2.6Å

51 kJ/mol 水の昇華熱

van der Waals 水素結合2 水素結合1 20 kJ/mol

なぜ氷の方が体積が大きいか 強固だけれどスカスカの状態 氷 空隙が減って充填率が高い 水 実験から見た水の構造－温度変化 水の最近接分子数 温度/ºC Ice-I 1.5 13 30 62 83 分子数/個 4.0 4.4 4.4 4.6 4.9 4.9 動径分布関数から見る構造の崩れ Ｘ線散乱、中性子線散乱実験 r 氷より水の密度が大きい理由

水の性質－１ 0℃では氷の方が軽い 0.9998 g/cm3 0.9168 g/cm3 -5 0 5 10 0.9 0.95 1 温度 / ℃ 密 度 / g cm -3 水 氷 物質 液体密度 固体密度 融点 水銀 13.55 14.19 -38.9 鉄 7.04 7.87 1535 Cl₂ 1.507 2.03 -101.0 アルゴン 1.393 1.65 -189.3 Na 0.928 0.971 97.81 N2 0.88 1.03 -209.9 g cm-3 _ºC 圧力をかけると 融点は下がる 水 氷 ル・シャトリエの 原理からは、加 圧は水に有利 水の方が氷より密度が高い 水 –20 0 20 –40 氷 2000 4000 6000 1 8000 温度/ ℃ 圧 力 / B ar 加圧

分子動力学(MD)計算による氷の生成－大峰さん提供 密度4℃で最大 p p T T V V ÷ø ö ç è æ ¶ ¶ -= ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ = r r a 1 1 熱膨張係数 0－4℃で負 通常は正、理想気体では3×10-3_deg -1 温度を上げると縮 む！ 水の性質－２ 0 2 4 6 8 10 0.9996 0.9998 1 1.0002 温度 / ℃ 密 度 / g cm -3 光吸収によって加 熱されて音が出る 場合には、4℃で音 が消える！ 密度の粗密波

等温圧縮率 －40℃付近で極小 T p V V ÷÷_ø ö çç è æ ¶ ¶ -= 1 c 通常は温度と共に上昇する 水の性質－３ 沸点 －同族列水素化物中で最高 水の性質－４ 水は極性の強い溶媒 大きな誘電率 イオンを溶かす。 0 5 10 15 0 50 100 Dipole moment / 10-30 Cm D ie le ct ri c C on st . H2O HCONH2 (Formamide) MeOH EtOH ROH 水素結合の効果 双極子モーメント 比 誘 電 率 e 化合物 比誘電率e ヘキサン 1.89 ベンゼン 2.28 ジクロルメタン 8.9 メタノール 33 アセトニトリル 36.6 水 78 極性溶媒 Na+_やK+_{を溶かし、脂質を} 溶かさないことは、生体に 対して大きな役割を持って いる。

水の性質－５ 大きな比熱 4.18 J g-1_K-1 生物の体温の安定化にも 大きな寄与をしている。 化合物 比熱(J g-1_K -1₎ 銅 0.380 鉄 0.437 石英ガラス 0.84 空気 1.006 エタノール 2.29 水 4.18 地球の全域にわたる気温 の安定化に大きく寄与して いる。 比熱の大きさを決める要因 １．個々の分子の中に収容できる エネルギー ２．分子間の運動や相互作用 エネルギー ー水素結合が大きく寄与 では、超臨界流体へと進みましょう。

蒸気圧曲線は何故臨界点で止まるの か？ 超臨界流体 ： 狭義には臨界点直上（高い温度・圧力を持つ）の流体。 液体 374 100 0.0075 610 Pa 101.3 kPa 22.06 MPa 固体 蒸気圧曲線 気体 三重点 温度 / °C 圧力 臨界点 超 臨 界 流 体 0.05 0.71 300°C 臨界点 374°C 密度 g/cm3 0.315 0.315 100°C 0.0006 1.0

臨界点周辺は揺らぎが大きい 臨界点 密度揺らぎがあると、 短波長の光ほどよく 散乱される。 光散乱 超臨界流体の性質 クリーンな溶媒 －CO₂、H₂O 液体のようにものを溶かす 溶媒分離の容易さ－CO₂ 密度を変えて極性・粘性 の調節が可能 気体も良く溶かす 粘性が小さくサラサラしている 食品に使っても安全、環境に優しい 反応がよく起こる 細孔に入り込んで抽出 反応生成物の分離 反応にベストの条件作り

超臨界水の特徴 １．400℃以上の高温ー反応が進みやすい ーイオン積が大きくなる K_W = [H+_][OH–_] ２．水素結合が弱くなっている 密度を下げると水素結合はさらに弱くなる ａ．水同志の結合が弱くなる ー有機物も溶けるようになる ｂ．誘電率が下がる ーイオンが溶けにくくなる

水の誘電率の変化と水素結合の変化 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1 2 3 4 Chemical Shift C h em ic al S h if t / p p m

(~ degree of Hydrogen bonding)

Density / g cm-3 0 20 40 60 D ie le ct ri c C on st . Dielectric Constant Supercritical (400 C) 100 C 200 C 300 C Density contribution H-bond contribution 誘電率 NMR化学シフト 水素結合強さ） 水素結合 の寄与 密度の寄与 誘 電 率 密度

誘電率 超臨界水の誘電率 は温度と密度につ れて大きく変わる。 温度と圧力の制御で 極性溶媒としても 無極性溶媒としても 使える 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 10 20 30 密度 / g cm-3 比 誘 電 率 e 400 C _{500 C} sc H2O C2H5OH CHCl3 O CH3Cl CH2Cl2 有機溶媒のe (20℃） 無極性溶媒 極性溶媒 極性分子を_安定化 超臨界水中の反応 水のイオン積 K_W = [H+_][OH– ]

H₂OàH+_+OH– _{DG=79.9 kJ mol}-1

温度が上がると平衡は右に進む

25℃で K_W = 1.01×10-14 _[H+_]=[OH–_]=10-7_{mol dm}-3

60℃で K_W = 9.61×10-14 _[H+_]=[OH–_]=3.1×10-7_{mol dm} -3

K_W = [H+_][OH–

]

CH₄+H₂O (30%) (70%) 450℃, 1000Bar O₂ガスを 下から加え ている 超臨界水酸化 超臨界水酸化

CH3CH2OH H2+ CH3CHO CH4+ CO H₂+ CO₂ H₂O H₂O + C₂H₄ C₂H₆ H2 00 20 40 60 80 10 20 t, min yi el d, m ol % H2 CH4 CO2 C2H4 CH3CHO _{500℃ 0.2g/cm}3 C2H6 １．イオン反応－H+_、OH–_触媒 ２．ラジカル機構－OH、H が関与 ３．水の直接関与 アルコールからの 無触媒水素生成反応 水の触媒的酸化 金属微粒子の生成

Amazon.co.jp 商品紹介 美容にもスポーツにも最適。1本で5本分の水分補給 長年の研究の結果、ハイドレーションの能力を最大限に発揮す るの数値が導き出されています。そのなかで硬度とPH値で、硬 度はゼロ(超軟水)で、PH値6.8～72(中性)が良いとされていま す。さらに水の分子を構成するクラスターの大きさを表す NMR(核磁気共鳴)測定値が65～73Hzであること。そこで、理想 の水として、開発されたのが、ナノクラスター水「VIVO」です。通 常のミネラルウォーターと比較すると、VIVOはクラスターが極 めて細かいナノレベルのため、一本(500ミリリットル)でミネラル ウォーター2リットル分以上の機能をします。 ナノクラスター水のスペック 硬度:0超軟水(とても飲みやすく美味しい) PH:6.8～7.2中性(酸性でもアルカリ性でもない、身体にやさし い) 酸化還元電位:プラス200～300mV(水道水・プラス500～700mV、 釘を入れてもさびにくい・抗酸化力がある) NMR(核磁気共鳴)測定値:65～73HZ/25℃(クラスターが非常 に細かい) ナノクラスター水VIVO(ヴィボ) Beauty 500ml*24本 From VIVO 参考価格: ￥ 11,340 ＮＭＲ活水器のゴールドクラスターは NMR現象により、水分子を細分化しておいしい水を提供します。 水の活性力（生命力）は水分子の集合体であるクラスター運動エネルギー（エント ロピー）の大きさで決まってきます。 ”ゴールドクラスター”は家の給水管の元に設置するだけで家中の水を非常に活 性力の強い”クラスター水”にします。

ユケイドー ジカハイ(磁化杯) トールカップ ブランド：Yukeido(ユケイドー)発売元 シュウエイ トレーディング 当社販売価格：¥3,675(税込) 商品番号：Y313770H 「ユケイドー ジカハイ(磁化杯) トールカッ プ」は、磁化水をつくるトールカップです。 トールカップに良質の磁石版を内蔵する ことで安定した磁界を作りだしています。 これにより、ジカハイの中の水分は細かく 分解されます。毎日の美容と健康維持、 ダイエットのサポートにお役立てください。 『大きくなった水』は浸透性が低くなる上に、その中に抱え込んだ化学物質や有機物な どを直接人体に運び入れることになるのです。 この『大きくなった水』が磁気の中を通り抜けることによって『小さな水』に変化していき ます。磁気の様々な働きで大きな水分子集団の結合が解かれ、その中にあった余計な 物質はクラスターのそとにはじき出され、水としての性質を活発に取り戻し、浸透力・溶 解力・洗浄力・浄化力に優れた状態になるのです。 パイププロテクター SuperMag

水クラスターの大きさは測定可能か 水クラスターの寿命は長いか 水クラスターは細分化できるか 処理水は美容や健康に良いか Ｘ線、中性子散乱 NMR緩和時間？ 温度上昇 超音波吸収 磁場？ 分子動力学シミュレー ション 天羽優子氏(山形大学理学部)のＨＰ