DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

実は9種類ある水 その違いは原子核にある?

今日の2記事目は化学系の記事を書きたいと思います。

皆さんが普段目にしている水も実は何種類か存在しているのです。

勿論食塩水みたいな不純物が混じったものではなく、あくまで純粋な水の中でのことです。

 

 

1. 原子核とは

原子核は原子を構成している要素の1つであり、原子と言うのは中心に原子核があり、外側を電子がまわった構造をしています。

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これは海外の画像で前の記事でも取り上げたものです。

原子核電荷を持つ陽子電荷を持たない中性子から構成されており、その電荷を補うために外側に負電荷を持つ電子が周っています。

化学的な性質は電子の数と軌道によってきめられており、電子の数は原子核の陽子数によって制御されているため、陽子の数によってその原子が何であるかが決定しています

原子核の陽子数が1だと水素、10だとネオン、40だとジルコニウムのように。

そして、その原子が何であるかと言うのは陽子の数だけにより決められているということは中性子の数は関係なく、現実にそんな物質があったら一瞬にして崩壊するがそもそもできない極端な話、陽子数1、中性子数100の物質も水素なのです。

ちなみにかつては原子が物質を構成する最小の単位と言われていましたがそのような考え方が恒星の反応の原理を解明しづらくしたと考えられます。

 

また、原子番号の非常に大きな物質は自然界には存在せず、全て原子核を制御することによって人工的に作られています。そして、それらの物質は本来は存在せず、原子核が非常に不安定なのですぐ崩壊して安定な原子核に変わります。

 

その崩壊には3種類あり、α崩壊、β崩壊、γ崩壊です。

α崩壊は原子核からヘリウム4原子核を放出する崩壊であり、そのことで原子核の質量数が4、原子番号が2減ります。

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β崩壊は中性子の一つが陽子と電子に分かれ、電子を放出する崩壊です。このことにより、中性子の1つが陽子となるため質量数はほぼ変わらず、原子番号は1増えます。

何故ほぼかと言いますと電子1つ分の質量を失っており、ごくわずかだが軽くなっているからです。

 

γ崩壊はその名の通りガンマ線を放出する崩壊であり、原子核の質量も原子番号も変わりません。この崩壊はエネルギーの放出であり、高いエネルギー状態から安定な低い状態に移る反応です。

 

とまあ、原子核に関しては以上であり、原子核中性子の数によって同じ原子でも何種類かあります。また、あまりに不安定な原子核はヘリウム4なり電子なりを放出して安定な原子核になろうとする性質があります。この時放出されるヘリウム4等のことを放射線と呼び、放射線を出す力がある原子のことを放射能と呼びます。

 

 

 

2. 水の種類が9種類のわけ

とまあ、原子核の話をしましたが今度は水の話をしていきたいです。

水と言うのはご存知の通り、酸素が1つと水素が2つ結合した構造をしています。

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ここで先ほどの話を思い出してください。

原子は中性子の種類によって何種類かあり(以下同位体)、それらはすべて同じ原子として扱われることです。

水素には自然界で2つの同位体があり、陽子が1つだけの普通の水素(H)中性子が1つ、陽子が1つ存在する水素(D)があります。後者の水素(D)は重水素と呼ばれています。

また、酸素にも自然界で3つの同位体があり、中性子の数がそれぞれ8,9,10個のものです。特に決まった名称はありませんがここでは中性子数が8個のものを酸素(O)、9個のものを重酸素(DO)、10個のものを二重酸素(UO)と呼びます。記号のアルファベットは気にしないでください。

 

ここで考えられる水の組み合わせ方としては

H-O-H、D-O-H、D-O-D、H-DO-H、D-DO-H、D-DO-D、H-UO-H、D-UO-H、D-UO-Hの9種類が考えられます。ここで一番軽いものは普通の水H-O-Hであり、重いものはD-UO-Hです。

これほどの種類があるからにはこれらが入り混じっていると考えられますが...

 

 

実際にあるものの大半はH-O-Hです

 

その理由は重水素、重酸素、二重酸素は自然界にはほとんど存在せず、

重水素の割合は0.015%

重酸素の割合は0.037%、二重酸素は0.204%であり、

99%以上は軽い原子です。

単純計算だとH-O-Hの割合は全水における99.7%を占めています。

 

ちなみに一番存在しないものはD-DO-Dであり、無いに等しいと言ってもよいです。

 

一応水は自然界に9種類あるものの殆どは一番軽いものです。

 

更に書くと一番重い水は見た目は同じに見えるが軽い水の1.22倍の質量があります。

 

 

 

3. Dが含まれた水の健康への影響

重い水も軽い水も化学的性質は変わらないから重い水を飲んでも大丈夫だと思いますね?。実は

 

命にかかわります

 

確かに同位体は化学的な性質は同じと見なせます。

けれどもHとDは質量が2倍以上異なるので化学的な方面にも影響が出てしまうのです。

水素は他の物質と水素結合を形成しており、生物の体ではHがあるという前提で水素結合が働いています。

しかし、そこにDがあると水素結合の距離が変わり、生体内がめちゃくちゃになり、生命活動ができなくなる、即ち死に直結します

 

実際に重水中では魚も死に絶えます。

 

質量の大きな差、これが生命体には脅威となっているのです。

 

 

とまあ、こんな風に書くと重水が怖くなりますが実際には安全です。

何故なら先ほどにも書いた通り、Dの含まれた水の割合は非常に少なく、水のほぼ大半はH2つだからであります。

 

ちなみに酸素のほうには悪影響はないと考えられております。