100%純粋な水。 つまりH2O以外の何物も含まない水(地球上では作れないでしょうが)は論理上 凍りますか?

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  • 登録:2010/08/27 17:35:23
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ベストアンサー

id:masanobuyo No.5

masanobuyo回答回数4616ベストアンサー獲得回数782010/08/29 15:23:46

ポイント18pt

以下のサイトに掲載がありましたので、ご紹介いたします。

本当の純水が凍るかということはわかっていないんです。誰も実験したことがない。そんな純粋な状態は作ったことがない。この純水、H2Oの集まりが本当に凍りえるのかということにチャレンジして、6年かけたんです。どうやったかというと、僕は理論家ですから水と思われるものをコンピューター上に作り上げる。コンピューターの上でH2Oの集まりを作った。こんなふうにH2OとH2Oがあって……。後でお見せしますよ。とにかく水をコンピューター上で凍らせるのに、スーパーコンピューターを6年間使い続けた。それでやっと凍らせました。

 ここでは何が問題かというと水というのは乱れた構造をしています。一方氷というのはきちんとした格好〔結晶〕をしています。この二つがどういうふうにつながっているかということです。H2OのHというのは少しプラスに帯電している。Oはマイナスに帯電している。どうしてかいとうと酸素のほうが電子を引き寄せる力が強いので、電子がH〔水素〕から少しO〔酸素〕のほうに引き寄せられる。ですから水分子というのはこういう形をしていますがプラスとマイナスのかたまりである。プラス、マイナスの分子があるとつぎにこっちからプラスマイナスがやってくる。そうするとこのHプラスとOとがくっ付こうとする。そういうふうに出来上がっていく。それが水素結合というものです。液体の水では、水分子が動き回っていてどんどん水素結合の構造を変えていく。沢山の水分子が作る水素結合の形は三次元的に乱れたネットワークの形をしておりそれが時間とともにどんどん変化していく。後でビデオでお見せします。乱れたネットワークがどういうふうに氷のきれいな構造になるか。すなわち「混沌の中からいかにきちんとした構造が生まれてくるか?」ということが基本的問題です。このような問題はありとあらゆる現象に存在します。


http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:z2w8GAohnPQ...

id:kokorohamoe

すごい人 でてきた!。

水は マイナス46度までは少なくとも、本来凍らない!!!

 

水のHとOが くっつき合ったり、離れたり ウネウネしているのが 水で、カキーンとなっているのが氷。

不純物が少なければ少ないほど、分子はウネウネできるから、凍らない。

不純物があると、そこで、ウネウネできなくなって、捕まって氷になる。

じゃぁ、マイナス46度以下で 不純物が全くないとき、ウネウネするのを邪魔する力(マイナスの力ですが)は 何か?

という感じで、庶民っぽく、理解しました><。

 

素朴なギモンですけど、6年もかけて研究していたのはすごいです。

2010/08/29 16:25:20

その他の回答(5件)

id:ita No.1

ita回答回数203ベストアンサー獲得回数472010/08/27 20:06:56

ポイント19pt

水が純粋で、凍結の核となるゴミが入っていない場合、0度以下でも凍らない過冷却の状態になりますが、条件が良いと-40度でも凍らないようです。

http://surc.isas.jaxa.jp/SpaceUtilizRes/Articles/010_Mizukami.pd...

しかしこのくらいの低温だと純粋な水であっても非常に微小な衝撃などが凍結のきっかけとなり、さらに冷やして-45度まで凍らないかどうかは不明のようです。

実験でなく、コンピュータ内部のシミュレーションなら完全に純粋な水が凍るかどうか調べられます。

http://blog.goo.ne.jp/zero_app/e/23f770d310294b3433681aca178eccd...

2002年に、-43度で計算して凍ったという論文がNatureに出ました

http://www.nature.com/nature/journal/v416/n6879/abs/416409a.html

http://www.sci.nagoya-u.ac.jp/kouhou/03/p6.html

id:kokorohamoe

シミュレーションだと、計算式に不備 というか、まだ知られていない現象があるかもしれないので わかりませんね。

よくわかりませんが、GIGAZINEで ドライウォーターという 常温で個体の水の作り方が書いてあり、要するに不純物を混ぜるでした。

と言うことは逆に言えば、液体が固体になるためには なにがしかの不純物 たとえば (H OHもH2Oからみれば不純物という意味で)が必要になるのかな?と思ったので 聞いてみました。

2010/08/27 20:54:38
id:YasudaS No.2

YasudaS回答回数351ベストアンサー獲得回数52010/08/27 21:02:26

ポイント19pt

凍ります。

理由は簡単。

地球上で作成した氷の微細部分に限れば、純粋な水を組成としている部分があります。

つまり、その部分がある=純粋な水からなる氷がある=氷にすることが出来るということになります。

単純に言えば、99.9999%の水を凝らせたら、99.9999%が水からなる氷になりますが、氷結している状態でも、0.0001%以外の部分が純粋なH2Oです。

http://ja.wikipedia.org/w/index.php?oldid=31909564

もっと簡単に言えば、水を元にした氷の一部は水だけの氷ですので、普通に凍らせるだけで、出来るということになります。

もし、H20単体だけで凍らないとしても、不純物をほんの微小でも混ぜて凍らせることが可能なわけです。

そして、複数の分子が接触して凝固している状態で、水だけの部分があるわけですので「凍らせることは、完全純水で実験できなくても、可能だということが示される」わけです。

id:kokorohamoe

すみません 。最後の行がわかりませんでした。 凝固した水自身が核になれます。しかし、最初に凝固する核が全くない状態で凝固が起きるのか?という事なのです。

2010/08/27 21:14:59
id:yam3104 No.3

三十四回答回数499ベストアンサー獲得回数252010/08/28 00:37:34

ポイント18pt

凍ります、理論上は。

  • 水蒸気(気体)は、H2O分子が散り散りバラバラに飛び回っている状態
  • 水(液体)は、H2O分子がある範囲に集まっていて、その中で動き回っている状態
  • 氷(個体)は、H2O分子が動かずに繋がっている状態

参考:水の性質「氷・水・水蒸気…水の三態」 水大事典 水と生きるSUNTORY サントリー


低温になればなるほど分子が動くエネルギーは低下しますので、温度が下がり続けるといつかは凍ります。絶対零度だと水を含めあらゆる物質が個体になります(これは理論上は可能であるが、現実的には不可能な事ですけれど、「理論上」凍るかどうかが問われているので、良いですよね?)


ちなみに、氷の分子構造は下の画像のようにスカスカです。

http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2007/071108_fig/fig1.png

H2Oは、液体より固体(つまり水より氷)の方が面積が大きいのは有名な話ですが、これが原因です。スカスカと言う事は、分子が動く空間的余裕があるという事ですので、「最初に凝固する核が全くない状態で」は凝固は起きにくい、とは言えるかも知れません。

また、上記サイトの続きにもある様に、水というのは「温まりにくく、冷めにくい」比熱の大きい物質です。「100%純粋な水」というのを、例えば真空で球状に浮かせたとしても(宇宙空間の無重力状態ではこうなります)、外側よりもたっぷりの水分子で囲まれた内側の方が凍りにくいのではないかと思われます。逆に言えば外側から凍る、つまり「最初に凝固する核」となるのは外側の水です(実験とかでも、外側から凍りますよね?)。

まぁこの辺は根拠が曖昧ですがご容赦をm(_ _)m


関連ありそうな無さそうな別サイトでの質問→http://soudan1.biglobe.ne.jp/qa5428923.html

id:kokorohamoe

なるほど・・・

ここまでの回答を整理すると いままで 水が氷る原因は気圧と温度だと思っていましたが

実は 水が氷る原因は 分子が格子状になることで なぜ分子が格子状になるかといえば、分子の動きが一定以上阻害されることで

分子の動きを一定以上阻害する要因というのは、気圧と温度と不純物である。という事みたいですね。

 

そして、一般的に水が0度で凍るのは不純物が混ざっているからであり、不純物によっては水は常温でも個体であり 不純物が全くなければ マイナス40度近くになるまで 液体であるという事みたいですね。

そして、マイナス40度以下では 気温の影響だけで分子と分子の間の運動が十分に阻害され格子化する。

という感じみたいですね。

2010/08/28 01:38:46
id:ita No.4

ita回答回数203ベストアンサー獲得回数472010/08/28 03:13:00

ポイント18pt

コメント欄が開いてないのでこちらで補足。ポイントは結構です。

で、水が凍るというのは相転移現象の代表例ですが、これは現在でも物理学の中心テーマでありそれほど自明な話ではないのです

http://d.hatena.ne.jp/hiroyukikojima/20100826/1282834447

てっきり上記記事を読まれた上での質問かと思っていました。

で、冷やすとエネルギーが奪われるわけですが、エネルギーには2つ、動き回る運動エネルギーと、分子配列による位置エネルギーがあることに注意です。

位置エネルギーは、水のようにでたらめな配置より結晶として分子が揃っていたほうが低くなります。そして凍ることによって下がるエネルギーはこの位置エネルギーの方が程度が大きいです。なのでどちらかというと「動かなくなる」というより「揃う」という感じですね。

氷と違って、揃わずに動かなくなる、という物質もあってガラスがその典型です。きちんと並ぶ暇もなく冷やされて、でたらめな配置のまま動かなくなった状態です。

水の場合、絶対零度まで冷やせばとにかく「乱れたまま固まる」か「氷のように揃って固まる」かのどちらかなので、前者も凍ると考えることにすればいずれにせよ「凍る」といえるでしょう。

id:kokorohamoe

その記事も読みました。なんか、もやもやと考えています。

なんとなく思ったのは、地球上の物理現象の場合、不純物を切っても切り離せないという事象が目立つので

水が凍る現象と、不純物には関係があるのかな?と。もやもやと思った次第です。

思ったのですが、絶対零度まで冷やせば、とありますが。本当に物理現象として絶対零度が作れるのかどうかは疑問ですよね。

全体零度直前で、光の速度が光速を超えられないように、物の温度が絶対零度にはなれない。みたいな法則があるのかもしれませんし。

 

2010/08/29 16:18:38
id:masanobuyo No.5

masanobuyo回答回数4616ベストアンサー獲得回数782010/08/29 15:23:46ここでベストアンサー

ポイント18pt

以下のサイトに掲載がありましたので、ご紹介いたします。

本当の純水が凍るかということはわかっていないんです。誰も実験したことがない。そんな純粋な状態は作ったことがない。この純水、H2Oの集まりが本当に凍りえるのかということにチャレンジして、6年かけたんです。どうやったかというと、僕は理論家ですから水と思われるものをコンピューター上に作り上げる。コンピューターの上でH2Oの集まりを作った。こんなふうにH2OとH2Oがあって……。後でお見せしますよ。とにかく水をコンピューター上で凍らせるのに、スーパーコンピューターを6年間使い続けた。それでやっと凍らせました。

 ここでは何が問題かというと水というのは乱れた構造をしています。一方氷というのはきちんとした格好〔結晶〕をしています。この二つがどういうふうにつながっているかということです。H2OのHというのは少しプラスに帯電している。Oはマイナスに帯電している。どうしてかいとうと酸素のほうが電子を引き寄せる力が強いので、電子がH〔水素〕から少しO〔酸素〕のほうに引き寄せられる。ですから水分子というのはこういう形をしていますがプラスとマイナスのかたまりである。プラス、マイナスの分子があるとつぎにこっちからプラスマイナスがやってくる。そうするとこのHプラスとOとがくっ付こうとする。そういうふうに出来上がっていく。それが水素結合というものです。液体の水では、水分子が動き回っていてどんどん水素結合の構造を変えていく。沢山の水分子が作る水素結合の形は三次元的に乱れたネットワークの形をしておりそれが時間とともにどんどん変化していく。後でビデオでお見せします。乱れたネットワークがどういうふうに氷のきれいな構造になるか。すなわち「混沌の中からいかにきちんとした構造が生まれてくるか?」ということが基本的問題です。このような問題はありとあらゆる現象に存在します。


http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:z2w8GAohnPQ...

id:kokorohamoe

すごい人 でてきた!。

水は マイナス46度までは少なくとも、本来凍らない!!!

 

水のHとOが くっつき合ったり、離れたり ウネウネしているのが 水で、カキーンとなっているのが氷。

不純物が少なければ少ないほど、分子はウネウネできるから、凍らない。

不純物があると、そこで、ウネウネできなくなって、捕まって氷になる。

じゃぁ、マイナス46度以下で 不純物が全くないとき、ウネウネするのを邪魔する力(マイナスの力ですが)は 何か?

という感じで、庶民っぽく、理解しました><。

 

素朴なギモンですけど、6年もかけて研究していたのはすごいです。

2010/08/29 16:25:20
id:YAMADAMAY No.6

やまだまや(真優)回答回数171ベストアンサー獲得回数122010/08/30 00:16:17

ポイント18pt

理論的というか、屁理屈からいってもいつまでも凍らないわけがないと言うことはお分かりだと思います。

もし、純粋な物質が固体にならないのならば、この世に「固体」は存在しないわけで・・・最初の不純物となる固体(それは水に対しては「不純物」かもしれませんがそのもの自体に対しては「純粋な物質」となるわけですから。・・・神様が不純物を入れた・・・と言うならば別思考でしょうが。

おそらく超純粋の過冷却超純水でも重力による水圧の不均衡や少しの衝撃による水圧の変化(何兆分の1秒でも)が起これば歪みが生じその歪を核としてこの場合は、水分子の構造変化(結晶化)は起こるのではないでしょうか。

物体の破壊も、ビッグバーン後の物質分布の不均衡による星雲のでき始めもそんなところかと私は想像しますが。

http://q.hatana.ne.jp/dummyURL

id:kokorohamoe

確かに、完全な純水は作れないでしょうし、つくっても、すぐに完全ではなくなるでしょうからね。

ありがとうございます。

2010/08/30 03:59:41

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