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2014年08月30日 (09:31)

水は謎めいている:水の親和性・神秘性・叙情性は何か:水素結合と正四面体

画像は以下を見られたい。
http://ameblo.jp/neomanichaeism/entry-11917178796.html

水は謎めいている:水の親和性・神秘性・叙情性は何か:水素結合と正四面体

テーマ:生命力とは何か:氣と小食と腸内細菌

水の不思議は、水素結合と(正)四面体にあることがなんとなくわかってきた。
 水の親和性、「共感性」は、主に、水素結合に存するように思われる。
 以下、参考1(青色と赤色の箇所)にあるように、水素原子核が他の陰電子と結合しやすいということなので、ここで、親和性が出るのではないだろうか。
 もっとも、水素結合の電子の方にも、親和性があるだろう。
 とまれ、氣的水を考えると、陰陽ガウス平面において、実軸が原子構造になり、-1が原子核、+1が電子である。そして、前者が渦巻き、後者が螺旋と想定した(正負の符号が逆だがそのままにしておく)。(思うに、陰陽ガウス平面で考えると、全体は、渦巻きの形態をしているとしていいのではないだろうか。)
 この水素原子は、陰陽氣振動によって、原点=MPにおける次元変換によって、発生していると見るのである。
 そして、実軸に磁場が形成されると見るのである。+1がN極で、-1がS極である。
 そして、電磁波が放出されると考えるのである。
 しかし、電磁波のエネルギーは内在的氣に拠ると、これまでから考えるのである。しかし、通常の科学では、電磁波のみを観測し、氣は観測できないのである。
 さて、水分子の集合である水であるが、それは、クラスターでわかるように、水分子が揺らいだ状態にあると思われる。
 つまり、水素結合が連結したり、離れたりしていると考えられる。
 思うに、揺らぐ水素結合が内在氣による電磁波を放出するのではないだろうか。そして、この内在氣の電磁波が、人間の感性・心性において、親和性として捉えられるのではないだろうか。それは、電磁波自体というよりは、電磁波に内在する氣、氣エネルギーによると思われるのである。
 きれいな水辺で感じる心地よさは、これに拠るのではないだろうか。また、汚染された水辺の場合は、水素結合が汚染物質と反応して、内在氣による電磁波が衰退しているのではないだろうか。そのため、心地よくなく、すなわち、不快に感じるのではないだろうか。
 今は、思いつきのみである。

参考1:
水質化学1.2水分子の構造と水分子間の相互作用
1.2 水分子の構造と水分子間の相互作用
 水分子の形状は簡単に表すと中心に酸素、2つの角に水素イオンを持つ4面体(4つの側面を持つ三角形のピラミッド型)で表される。水素と酸素は2個の電子(electron pare)により結合している。一つ電子は酸素から、もう片方は水素から供給されている。酸素はその外殻に6つの電子を持つのでこの配置では2つの共有電子対と4つの非共有電子(unshared electrons)、すなわち2つの非共有電子対が残ることになる。これら4つの電子対が4 面体の4つの角を構成する。2つの水素イオンと2つの非共有電子対が4面体の角に存在している。他の2つの電子(H-O間にある)は共有されている。一組が酸素原子と各水素原子の間に存在している。分子形状は実際にはわずかにゆがんだ四面体となる。理想的な四面体では109°となるがH-O-Hの角度は 105°かそれ以下である。
 ここでメタンとアンモニアについても考える。
 水素-酸素結合を作る電子は2つの原子に共有(share)されるが、等しく共有されているわけではない。酸素は水素よりも電子をより強くひきつける(attract)。(これはなぜか?酸素原子と水素原子の核内の陽子数を考えると分かる。)結果として、水分子は全体としては電気的に中性(陽子数も電子数も10)である(すなわちイオンではない)ものの、水分子内には電荷の偏りが生ずる。具体的には、約0.24 esu(electrostatic unit、電子一つが持つ電荷)の正電荷が水素原子の近くに存在し、約0.48 esuの負電荷が酸素原子の近くに存在する。この電荷の分離のことを「極性」と言い、このような分子は「極性(polar)をもつ」と表現される。
 水素原子は一つの陽子と一つの電子を持つ。この一つの電子は通常水分子中の水素原子と酸素原子の中間に存在するので、周りを取り囲む水分子=残りの溶液から見ると、水素イオンは裸の陽子=プロトンのように見える。負電荷の電子がなく正電荷のプロトンのみとなっていることで、他の負電荷をもつ分子、すなわち陰イオンと、分子内に負電荷部分を持つ極性分子が、無防備なプロトンに大変近くまで接近できるようになる。実際に他の分子が他のいかなる正荷電を持つ原子の核に近づくよりも、水分子中のプロトンに近い状態となった水素原子に近づくことができる。(プロトン以外は1つ以上の電子を持つので、反発力が発生してしまう。)このように極めて接近することで普通では見られない強力な静電気的結合(electrostatic bond)が水分子中のプロトンと他の分子の負電荷部分の間に形成されることとなる。
 このような結合は「水素結合(hydrauric bond)」と呼ばれ、水溶液中ではとくに重要な現象である。水素結合は水分子中の電子が少ない(poor)水素原子と他の分子中の電子がリッチな部分(すなわち、非共有電子対の部分)の間に形成される。この結果、全ての水分子は最大で4つの水素結合(二つの水素原子のプラスの部分と二つの非共有電子対のマイナスの部分。すなわち四面体の四つ角の部分)で他の水分子と水素結合する可能性がある。氷中では4つの水素結合が形成されている。ある実験結果は、水中では各分子は他の3分子と瞬時に水素結合をすることを示している。水素結合のために水は他のいかなる溶媒よりも密着しており、このことが多くの重要な物理的または化学的挙動に影響を及ぼす。
北大 佐藤久研究グループ  


参考2:
水素結合とはなんですか? - キリヤ: Q&A
水素結合とは分子間結合の1つで、酸素-水素結合(O-H)の電子の偏りに由来する双極子相互作用の1つであることをQ 49 で説明しました。この水素結合はわれわれ生物にとって非常に重要なものです。人間には多くの水が含まれ、タンパク質、核酸、脂肪、炭水化物などが含まれています。これらの物質が機能するためには、水素結合が大きな役割をしているのです。家は材木を組み立てて作られますが、材木と材木をつなぎ止めるところが水素結合であると考えられます。材木だけでは家にはなりませんが、材木をつなぎ合わせて、はじめて立体的な家ができ上がります。水素結合は、タンパク質などを立体的な形にするために必要なのです。では、生物における水素結合の重要性を見てみましょう。


水分子の水素結合
  
http://www.kiriya-chem.co.jp/q&a/q50.html


共有結合
 水の分子はH-O-Hですが、このH-O-の結合が共有結合です。水素(H)と酸素(O)がそれぞれ電子を1個ずつ出し合って共有し、1つの結合を作っているのです。共有結合は-で表しますが、そこには電子が2個入っています。
 2個の電子は酸素と水素の間で均等に存在するのではなく、酸素が電子を引き付けて酸素側に片寄っています。それぞれの原子の極性は酸素が-0.820、水素が+0.410となっています。したがって、水分子は極性を持つことになり、食塩(NaCl)などの極性物質を溶かすことができるのです。



水分子の極性


電子の偏り

 例えばポリ袋はポリエチレンですが、-CH2-CH2-CH2-CH2-とC-Cの共有結合が何十万、何百万と続いていますし、C-Hの間も共有結合です。有機化合物はほとんど共有結合からできています。このように、有機化合物は共有結合でできていて1つの分子を作っています。したがって、分子とは共有結合だけでできているものと考えていいでしょう。

http://www.kiriya-chem.co.jp/q&a/q49.html
キリヤ: Q&A - キリヤ化学

参考3:

—簡単な分子;水・アンモニア・メタン—

まず一番と言ってもいいほど有名なメタンの形を考えよう。

メタンは言わずもがな正四面体型である。

その理由はルイス構造式から導かれる。


まずメタンのルイス構造式を書いてみよう。



この構造式を見ると、(最外殻に)電子対は4つあることがわかる。

電子対はその名の通り電子の対であるから、マイナスの電荷を持っている。

しかしお隣さんの電子対もマイナスである。

すなわちマイナス・マイナスで電子対同士はお互い反発しあう。

一番自然なことを考えると、全部がお互いに反発しあうのでお互いに一番遠くへ離れたがるだろう。

しかし球形の中心原子(この場合C)を中心に反発して逃げるので、
ある一つの電子対から逃げすぎると背後の別の電子対と近づいてしまう。

すると、全てがお互いに一番離れるためには、電子対は中心に対して均等にばら撒かれるはずである。

正四面体の形は、4つの頂点がお互いに全て109.5度に一番遠くへ配置されている。

なのでメタンは正四面体なのである。

4つの頂点(電子対)が空間的に均等にばら撒かれる非常に自然な形なのである。

・・・


最後に水について。

同様にルイス構造式を書く。



すると2つの共有電子対と2つの非共有電子対で、またしても電子対は合計4つである。

したがって同様にこれらは正四面体の4つの頂点になる。

すると、今度はうち2つだけがHなので、中心のOと二つのHで折れ線になる。



以上で簡単な分子の形の根拠がわかった。


また、これらの簡単な分子は正四面体を基本としていたが、下で解説するような二重結合を持つ分子や第三周期以降の原子が中心となる分子等は正四面体を基本とするとは限らない。

http://chemieaula.web.fc2.com/lecture/shape.html

放課後化学講義室
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