Transcript 第１章 水

ビッグバンから生命誕生まで
● 万物は物質からできている
● 物質はどうしてできたのか？
すべては ビッグバン から
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宇宙の歴史⑴
素粒子
から
分子へ
2013年３月 ヒッグス粒子（質量の根源）を確認。通常の物質（標準理論の１７種類
の素粒子、全て発見）は宇宙の５％。残りは暗黒物質等。超対称性粒子か？
図、田口寿一
宇宙の歴史⑵
現在の宇宙は密度、温度がほぼ均一： 説明するものが「インフレーション理
論」（佐藤勝彦）； ビッグバン理論では説明できない。
物質の誕生
●ビッグバン（大爆発）： 140億年前； 全ての始まり；
数百兆℃； 光子だけ
●３分後： 陽子（Ｈ+ ）、中性子、電子の誕生 ； 10 億℃
●十数分後まで： 重水素とヘリウムの原子核の生成； １億℃
● H、He の核融合（百万℃以上） → C、 N、O
ガス雲 → 星
● C、N、O の核融合（6-30 億℃） → Na, Mg, Al, Si, Fe
光 → 電子、陽子、中性子 → 水素原子 → He
→ やや重い原子 （→ 重い原子）
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物質の誕生（２）
● 鉄（ 核エネルギーが最少； 最も安定）
● 鉄より重い元素（コバルト～ウラン）：
超新星元素合成（Fe ＋中性子； 中性子数が多いと原子核のβ
崩壊（電子放出）で、原子番号が上がる。）
不安定
原
子
核
の
エ
ネ
ル
ギ
ー
安定
水素爆弾： 水素原子の核融合
核融合
不安定
核分裂
もっとも安定
鉄
原子爆弾： ウラン核分裂
原子の大きさ
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太陽系の誕生
●「ビッグバン宇宙論」の根拠
(1) 宇宙が外側ほど速く膨張 （空間の発生⇒
１点での物質の生成を示唆）
(2) 宇宙空間から電波
(3) H：He＝ ３：１（ビッグバンの理論値）
●元素の存在比： H 86%、 He 13.7%、その他 0.3%
●太陽系の誕生： ビッグバンの百億年後（４６億年前）
●水星、金星、地球、火星： 質量小（弱い引力） ⇒
H2 と Heの喪失 ⇒ 二酸化ケイ素と鉄が主成分
●水星： 水も喪失
●金星： CO２ が多く気温が 470℃ ⇒ 水は気体
●地球： CO２ 減少（下式） ⇒ 水の惑星 ⇒ 海での生命の誕生
H2O（液体）＋ CO２ ＋ Ca2+ → CaCO3 ＋ 2 H＋
●火星： 水も喪失？
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物質研究の歴史
● 化学： エジプト ⇒ ギリシャ ⇒ アラビア ⇒ ヨーロッパ
● ギリシャ人の元素観
一元素説（タレス：万物は水から形成 、他に土、空気、火）
⇒ 四元素説（エンペドクレス） ⇒
アリストテレス： 四元素＋第五元素 ⇒錬金術 ⇒ 化学、薬学
● 第五元素（元素変換の媒体） → 賢者の石（哲学者の石）
● ギリシャ人の実験観
● 賢者の粉： 銅貨 ⇒ 銀貨 ⇒ 金貨 （実験）
● 19 世紀：科学の世紀 ← １８世紀：哲学の世紀
● 近代科学の属性：
① 実証性（経験、実験の尊重）
② 論理性（合理的思考）
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水の惑星の条件
● 液体の水の存在： 地表の平均気温が 0～30℃
● 大気の主成分が 水素、ヘリウム以外
（宇宙の構成要素： H 86% He 13.7% その他 0.3% ）
● 体重当りの水： 年齢と共に減少
● 幼児: 80% 成人: 70% 高齢者: 70%以下
● 55%（成人女性）～ 60%（成人男性）
● 脂肪を除と、共に約 70%
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人の体液と海水の組成
● 組成が類似 ⇒ 生命体は海で生まれた！
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環境問題としての水
● 地上の水
海水
液体の淡水 河川水
97.5
0.3
0.01
固体の淡水（氷）
2.2
(%)
● 日本： 食糧の60％を輸入
⇒ 640 億トン/年の水（仮想水）を輸入と同等
日本の総水資源使用量（900億トン/年）の ２/３
● 生産に必要な水：
小麦： 2000 ℓ/kg 米： 3600 ℓ/kg 牛肉 ２万ℓ/kg
● 国内の農業用水は 570 億トン/年
●日本人の生活用水＝137ｍ２/年・人 ： 英国、中国の４倍
● 世界での水不足 ⇒ 日本での食料不足
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水の存在場所
水の利用形態： 農業用水 ７割； 工業用水 ２割； 生活用水 １割
国交省 08
世界の小麦・米の生産量/１人
1985年以降、増えていない。
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世界の耕地面積と穀物反収
1980以降は耕地面積が減少： 灌漑用水不足のため
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灌漑と水不足
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世界の穀物消費量と在庫率
人口増、肉類消費量の増加により、穀物在庫率は減少傾向
米農務省
急増する水需要
水利用の７割は農業。平均滞留時間： 河川水 十数日、 地下水 830年
世界の水需要の増加
水利用をめぐる争いが増加（インダス川、メコン川、ナイル川、中央アジアの川など）
UNESCO
世界の水使用量
予測量を実現できるのか？
ユネスコ
１人当たりの水資源量の減少
２１世紀の紛争は水をめぐるものになる？
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主要国の食料自給率（2002、カロリーベース）
日本の穀物自給率＝ 28％； 173カ国中で124番目
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将来の食料事情
三菱ＵＦＪ投信
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生産に必要な穀物量/ １ kg
肉類を生産するには多量の穀物が必要。
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結合の種類結合エネルギー
結合の種類 結合エネル 方向性 ずれに 物質例
ギー （kJ/mol）
イオン結合
764
なし 弱い
食塩
共有結合
718
あり 弱い ダイヤモンド
金属結合
165
なし 強い
鉄
水素結合
20
あり 弱い
氷
ファンデル
ワールス力
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なし 弱い ドライアイス
● 結合エネルギーが大きいことは、強度が高いことの必要条件
● 方向性がある結合は、ずらすと切断される。
● イオン結合結晶と金属については、後のスライド。
強い結合
● イオン結合：
Na＋ Cl－（結合に方向性なし、
ずれに弱い）
● 共有結合： 水素分子 (H-H)、酸素分子(O=O)
（結合に方向性）
（量子力学によって説明される もの）
（1928年： H2に波動方程式を適用）
● 金属結合 ： （結合に方向性なし）
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共有結合 (H-H) のモデル図
全体として引力
eHa+
反発力
Hb+
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金属結合
＋に帯電している金属イオンがーに帯電している電子
と静電引力で引き合っている。
静電
引力
引力
自由電子
金属イオン
金属結晶とイオン結晶に力を加えた場合
金属結晶
イオン結晶
強い
壊れにくい
加工しやすい
水分子の特色
① 水素結合を作る。
② 分極している
（分子内に電気的に＋の部分とーの部分と
がある）
＋
ー
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電気陰性度
元素
電気陰性度
（原子が電子を引き付ける力の指数）
Ｈ
2.1
Ｃ
2.5
Ｎ
3.0
Ｏ
3.5
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水分子の分極（電子の偏り）
非共有電子対： 結合を
形成していない電子対
電気陰性度= 2.1
電気陰性度＝3.5
ー
＋
分子全体の電荷
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弱い結合
● 水素結合：
δ＋
δー
H－O … H－O
｜
｜
H
H
● O、H、O の３原子が一直線上にある
● O は δ- に H は δ+ に帯電
（δ+ の H は H+ （ 内部に電子がない）に類似 ⇒
水素結合をつくる。）
● ファンデルワールス力： 分子間の引力
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水分子の水素結合
www.thuisexperimenteren.nl /verdamping.htm
www.lbl.gov/MicroWorlds/Kevlar/KevlarClue4.html
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凍ると体積が増える 水の性質 (1)
● 凍ると体積が増える
→氷は水に浮かぶ、水中生物に好都合、風化作用
● 水素結合の割合：
氷 100％
液体の水 50％
水蒸気
０％
● 水素結合している水：
● Ｏ－Ｈ ・・・Ｏ が一直線 ⇒
規則性が高くすき間が大きい
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体積 VS 温度
密
度
最
大
凍ると体積
が増える
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水による風化作用
岩石
水
入口の氷が水を
閉じ込める
これが凍ると体積が増える
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氷の結晶構造
炭化水素
基が隙間
に入る
H2O （10 ml） ＋ CH3CH2OH ( 5 ml) → 14.6 ml
水
エタノール
15 ml ではない
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メタンハイドレートの結晶構造
氷状の固体物質（理論化学式：CH4 ・5.75 H2O）
1m3のメタンハイドレートからメタン 172m3（１気圧、0℃）が得られる。
http://www.enecho.meti.go.jp/topics/hakusho/2006EnergyHTML/html/i1240000.html
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日本付近のメタンハイドレートの分布
産業技術研究所
メタンハイドレート：メタンと水の包接化合物；燃える氷
日本近海のメタンハイドレートの分布
石油天然ガス・金属鉱物資源機構（2000）
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復氷現象
糸の上部： 圧力が低く凍りやすい
糸の下部： 圧力が高く融けやすい
ルシャトリエの法則
「自然は変化を嫌う」： なるべく変化
が起こらないように平衡が移動する）
スケートはなぜ滑るのか
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最大密度がある 水の性質(2)
通
常
の
物
質
は
、
温
度
が
高
い
ほ
ど
体
積
が
大
き
い
。
密
度
最
大
水
が
表
面
か
ら
凍
る
の
を
助
け
る
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最大密度がある理由
高温ほど： 水素結合している水の割合が低い ⇒ 体積減
水分子の熱運動が盛ん ⇒ 体積増
水
の
体
積
熱運動による傾向
水素結合による傾向
温度
４℃
縦方向の水温分布へ影響。 表面から凍りやすい。
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比熱が全物質中で最大 水の性質
物質
比熱(cal K-1 g-1)
水
エタノール
ベンゼン
1.00
0.55
0.34
花崗岩
石英
0.19
0.17
ガラス
0.14
氷や水蒸気の比熱は小さい
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対流（⇒上昇気流）
高温
流体の流れ：
高温だと軽い
一般に、気体や液体は、
高温ほど熱膨張し、軽くなる。
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季節風の原因
アジア大陸（土、石）
夏： より高温（上昇気流)
冬：より低温
日
本
列
島
太平洋（水）
夏： 陸より低温
冬： 陸より高温（上昇気流）
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融解熱が大きい 水の性質(4)
● 氷（ 0 ℃ ）の融解熱： 80cal/g
● 水素結合をしている割合
氷の水分子
100%
液体の水分子 約５０％
水蒸気
０％
●水素結合の切断： 多量の熱が必要
形成： 多量の熱の除去が必要
●気温： 北極（下が海）は南極（下が大陸）より
２０℃高い。
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気化熱（蒸発熱）が大きい 水の性質(5)
● 気化熱： 540cal/g
水素結合している割合： 液体の水 約50％、 水蒸気 ０％
⇒ 気化： 水素結合の切断に大きなエネルギーが必要
● 水の大きな気化熱
海洋性気候。スチ－ム暖房。高い消火力。
● 発汗による体温調節
0.5 -１ ℓ /h の発汗 ⇒ １ℓ の発汗で12 ℃の体温降下
満１才まで： 汗腺未発達 ⇒ 発汗による体温調節 不可
● ラクダのコブ
脂肪３０㎏ ＋空気中の酸素 →
脂肪（C, H, O）中のH O2
→
水４０㎏ ＋ エネルギ－
H2O
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状態変化と熱
加熱
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水の性質(6) 溶解力が大きい
●水（分極している）は、極性物質をよく溶かす
●理由： イオンや極性物質への水和
陽イオン
への水和
陰イオン
への水和
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結合水（不凍水）
● 凍る温度
結合水
準結合水
< -20
0 ～ -20
自由水
≒ 0 （℃）
● 植物の耐寒性の差
● 砂糖の防腐作用、干物
（自由水の減少 ⇒ 微生物の増殖抑制）
● 冷凍食品の劣化
冷凍庫内（ -18℃）でも凍っていない水が 10%
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結合水、準結合水、自由水
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硬水と軟水
● 硬水： Ca２＋ , Mg２＋ の多い水
● Ca２＋ ： 適度に含まれるとおいしい
● Mg２＋ ： 苦味、渋味。下痢の原因
● 硬水中では石けんが使えない
RCOONa ＋ Ca２＋ → （RCOO)２Ca （カルシウム石鹸）
Mg２＋ →（RCOO)２ Ｍｇ（マグネシウム石鹸）
水に不溶
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水の味
◎ おいしい水
● CO２ 、 O２ が多い ⇒ さわやか
● 一部のミネラル分（Ca２＋, K＋）
● 温度が 10-15 ℃（地下水の温度）
低過ぎ → 舌が麻痺 高過ぎ ⇒ 清涼感がない
◎ まずい水
● 湯ざまし： CO２ 、 O２ がない ⇒ 清涼感が弱い
● 下水処理水：アンモニア、有機物、大腸菌群が多い
● 塩素殺菌の水道水は臭いがあってまずい。
煮沸、活性炭で除ける。
● オゾン殺菌（コスト大）の水道水はおいしい。
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水使用量/1日・１人
①
③
②
55
国連開発計画（06）
慢性的な栄養不足の人口
８億５千４百万人が慢性的な栄養不足
FAO（06）
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履修上の注意
● 出席はとるか ○
● 出席点はあるか ？
● 「可」はあるか → 「不可」へ
● 単位をどう考えるべきか
● 私語
学友の勉強を邪魔する行為
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