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水とは?

水面から跳ね返っていく水滴
海水

(みず、: water、他言語呼称は下記参照)とは、化学式 H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}} で表される、水素酸素の化合物である。特にと対比して用いられ、温度が低く、かつ凝固してにはなっていない物を言う。また、液状の物全般を指す。

この項目では、H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}} の意味での水を中心としながら、幅広い意味の水について解説する。

概説

水は人類にとって最もありふれた液体であり、基本的な物質である。また、生命を維持するには必要不可欠であり、様々な産業活動にも不可欠な物質である。

古代ギリシャではタレスが「万物のアルケーは水」とし、エンペドクレス四大元素の1つで基本的な元素として水を挙げた。古代インドでも五大の1つとされ、中国の五行説でも基本要素の1つと見なされている。18世紀の後半まで、洋の東西を問わず人々はそうした理解をしていた。それが変わったのは、19世紀前半に、ドルトン、ゲイリュサック、フンボルトらの実験が行われ、アボガドロによって分子説が唱えられたことによって、H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}} で表すことができる水素と酸素の化合物と理解されるようになった。(→#水の知識の歴史概略)

常温常圧では液体で、透明ではあるが、ごくわずかに青緑色を呈している(ただし、重水無色である)。また無味無臭である。日常生活で人が用いるコップ1杯や風呂桶程度の量の水にはほとんど色が無いので、水の色は「無色透明」と形容される。詩的な表現では、何かの色に染まっていないことの象徴として水が用いられることがある。しかし、ダム、大きななど、厚い層を成して存在する大量の水の色は青色に見える。このような状態で見える水の色を、日本語ではそのまま水色と呼んでいる。(→水の色)

化学が発展してからは化学式 H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}} で表され、「水素原子と酸素原子は共有結合で結びついている」と理解されている。(→水の性質)

また水は、かつて1 kgや1 cal単位の基準として用いられていた。(→水の性質)

全ての既知の生命体にとって、水は不可欠な物質で、その身体を構成する物質で、最も多くを占める物質が水である。細胞質で最も多い物質でもあり、細胞内の物質を代謝する際の媒体としても利用されている。通常、質量にして生物体の70〜80%が水によって占められている。人体も60〜70%程度が水である。(→#生物と水)

地球表面、特に海洋に豊富に存在する。水は人類にとって身近であって、地球上の生物の生存に必要な物質である。しかし宇宙全体で見ると、液体の状態で存在している量は少ない。(→#水の分布)

現代の人類の水の使用量の約7割が農業用水である。現代の東京の家庭での水の使用量を多い順に並べると、トイレ風呂炊事である。(→#水の使用量)

下記では、水に関する人類の知識の歴史概略を解説し、続いて現代物理学での水の理解などを解説する。

呼称

日常的な日本語では、同じ液体の水でも温度によって名称を変えて呼び分ける。低温や常温ではと呼ぶが、温度が高くなると(ゆ)と呼び、別の漢字を宛てる。しかし、英語 (water) やフランス語 (eau) やスペイン語 (agua) などでは、液体であれば温度によらず名称は不変である。

日本語では、湯などから立ち上った水蒸気が凝結して空気中に細かな粒として存在する水は、湯気と言う。

用途、性質、存在する場所などによる呼び分けも行われている。例えば、水の中でも、特に飲用に供せるものを飲料水と言う。海にある塩分などを多く含む水は海水、地下に存在する水は地下水と呼び、地下水を汲みボトルに詰めた製品をボトルド・ウォーターと呼ぶ。また、用途によって、農業用水工業用水などの呼称もある。機能と水質に基づく、上水中水下水という呼称もある。

他言語での呼称

古代ギリシア語では「ὕδωρ」。(ὕδωρの発音は時代と共に変遷した。紀元前5世紀はIPA: /hý.dɔːr/「ヒュドール」 、紀元前1世紀は IPA: /ˈ(h)y.dor/「ヒュドル」あるいは「ユドル」など)。 (注:近・現代の学問で水関連の事物についての造語をする場合、古代ギリシア語の「古代ギリシア語: ὕδωρ」を接頭語として用いるために(若干変形させて)「hydro-」が使用されることがある。(この学術的接頭辞の発音は、言語ごとに異なり、英語での発音、フランス語での発音それぞれに忠実な片仮名表記は「ハイドロ」、「イドロ」)である。接頭辞hydro-の使用例: hydrogen 水素(=「水を生むもの」「水のもと」といった意味の造語)、ハイドロプレーニング現象

ラテン語:aqua(アクア)(注 : ラテン語も伝統的に学術用語に用いられており、さらにラテン語が非学術的分野で(商用も含めて)造語に用いられることもあり、様々な言語で「aqua- アクア~」といった語や表現が(会社名、製品名なども含めて)多数用いられている)。

: eau(オ)、: acqua(アックア)、西: agua(アグア)、: água(アグア)、: Wasser(ヴァッサー)、: воды(ヴォディ)、: (シュイ)、: (ムル)、: ماء‎(マーイ)、: آب‎(アーブ)、ヘブライ語: מים‎(マイム)、ヒンディー語: पानी(パーニー)、タイ語: น้ำ(ナー)、ギリシア語: νερό(ネロ)、マオリ語: wai蒙古語:ᠤᠰᠦ(オス)、チベット語: チベット文字:ཆུ (チュウ)

ウィクショナリーの『みず』の項」も参照

自然科学での呼び分け

水の概念を自然科学的に拡張して、化学式で H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}} と表現できる物質を広義の「水」とすれば、固体、液体は気体水蒸気、ということになる。

IUPAC系統名オキシダン (oxidane) だが、ほとんど用いられない。また、一酸化二水素酸化水素水酸水酸化水素といった呼び方をすることも可能である。(→水素化物)

不純物をほとんど含まない水を「純水」と呼ぶ(たとえば、加熱してできた水蒸気を凝結した蒸留水など)。特に純度の高い水は「超純水」という呼称もある。

水の化学式 H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}}水素が2つとも同位体重水素である水を重水と呼び、化学式 D2O{\displaystyle {\ce {D2O}}} で表す。水素の1つが重水素であり、もう1つが軽水素である水は、半重水と呼び、DHO{\displaystyle {\ce {DHO}}} で表す。水素の1つが三重水素(トリチウム)である水は、トリチウム水(または三重水素水)と呼び、HTO{\displaystyle {\ce {HTO}}} で表す。重水・半重水とトリチウム水を併せ、さらに酸素の同位体と水素の化合物である水も含めて、単に重水と呼ぶこともある。この広義の重水に対して、普通の水は、軽水と呼ばれる。

軽水と重水は電子状態が同じなので、化学的性質は等しい。しかし、質量が2倍、3倍となる水素の同位体の化合物である水では、結合や解離反応の速度などの物性に顕著な差が表れる。(→速度論的同位体効果)

気象用語

気象に関する用語では、水の粒の大きさによって、(もや)と呼ぶ(これらを総称した一般用語としてもある)。それらが上空にある状態では、と呼ぶ。雲から凝縮して大きめの水滴となって地上に落ちてくる水はと呼ぶ。上空で水蒸気が凝固して結晶となった氷はと呼ばれ、一体の結晶になっていない粒は、大きさによって(あられ)や(ひょう)と呼ぶ。それらが水と混合した状態になっていれば、(みぞれ)と呼ばれる。

水の知識の歴史概略

古代から18世紀まで

古代ギリシアの哲学者、一般に最初の哲学者とされる、紀元前6世紀頃の人物ミレトスタレスは、万物の根源アルケーを探求する中で「アルケーは水である」と述べたと伝えられている。

同じく古代ギリシアエンペドクレスは、空気(古代ギリシア語: πυρ, αήρ, ὕδωρ, γηギリシア語: φωτιά, αέρας, νερό, γη: ignis, aer, aqua, terra)を4つのリゾーマタ(古代ギリシア語: ῥιζὤματα、「物質」の意で今日の元素のこと)とし、それの集合や離散によって自然界のできごとを説明する、いわゆる四元素説を唱えた。これはアリストテレスに継承された。

古代インドでも、地、水、火、風 およびこれに空を加えた五大の思想が唱えられていた。また中国においても、万物はの5種類の元素から成るとする五行説が唱えられた。

つまり、洋の東西を問わず、水は、基本的な4~5種の元素の1つだと考えられていた。こうした水の理解は、2000年以上、18世紀後半の時点でも、ごく一般的であった。

こうした理解に変化が生じ始めたのは18世紀末である。人類の歴史の中で見ても、ごく最近のことである。18世紀末に、キャベンディッシュが、金属と酸とが反応した時に、軽い謎の気体(現在では水素と呼ばれているもの)が発生し、それは簡単に燃えて水になることを発見した。また、ラボアジエが、この燃焼で化合する相手が空気中の酸素であることを確かめた。これによって「水は元素ではなかった」という考え方が登場した。ただし、ラボアジエの実験があっても、人々の考え方が直ちに変化したわけではない。人々や学者らもおおむね四元素の考え方をそれまでどおり用いていた、と科学史家たちは指摘している。18世紀までの文献に現れる「aqua」「water」「水」などは、基本元素としての水であると理解するのが妥当である。

19世紀

その後19世紀初頭、イギリスのドルトンが実験の結果、水素と酸素が重量比で1:7で化合するとし(後に正しくは1:8と判明)、1805年にはゲイ・リュサックフンボルトなどがそれぞれ、体積比で2:1で化合することを見出した。さらに1811年に、アボガドロ分子説を唱え、その枠組みの中で水の分子が H2O{\displaystyle {\ce {H2O}}} と定められた。この19世紀の初頭に、西欧の学者たちの水の理解が変わったと科学史家らによって指摘されており、同世紀を通して一般の人々の理解も変化していったと考えてよい。

分子説の成立と共にあったという点などで、水は近代化学の発展のきっかけを作った物質である。この時期は、おおむねphilosophia(哲学)を母胎としてscientia(科学)が生まれつつあった時期と一致している。こうした新しい独特の哲学を行う人の数が徐々に増え、彼らが自分達のことを他の哲学者と区別するためにscientist(科学者)という用語がヒューウェルによって1833年に造語され その使用が提唱された。

水と氷の近代以降の主要な研究の年譜

年譜を読むには右の[表示]をクリック
  • 17世紀初頭 - ベルギーのファン・ヘルモントは植物成長に関する実験により、水を元素と結論づけた。あらかじめ重量を測定した鉢植えに水だけを与え、4年後に重量を測定すると重量が増加していた。すなわち水元素が木元素に変換したことになる。ヘルモントはガスという用語を作り出した。ビールの発酵、石炭の燃焼、炭酸塩から発生するガスが全て同じ物質であり、命名もしていたが、彼自身の実験と彼のガスの関係には気づいていなかった。
  • 1765年 - イギリスのキャベンディッシュ、水を材料に熱の研究を行ない、蒸発熱や潜熱を測定した。
  • 1766年 - キャベンディッシュ、「人工空気の実験を含む三論文」を発表。第1論文で「可燃性空気」すなわち水素の発見を発表。ただし、水素の燃焼物が何であるかを理解していなかった。
  • 1781年 - 酸素の発見者の1人であるイギリスのプリーストリーは、水素の燃焼物が水であることを見いだし、キャベンディッシュに確認を求めた。
  • 1784年 - キャベンディッシュが「空気に関する諸実験」を発表。水の組成を確認する実験について記述されている。実験には2年を要した。水素と酸素を電気火花によって反応させると大量の反応熱を出すため、生成物にどうしても窒素の酸化物である硝酸が混入してしまうためであった。彼の論文では水素と酸素を可燃性空気と脱フロギストン空気としているものの、水素2容積と酸素1容積から水が生成することを確認している。フロギストンによらない説明を最初に与えたのは酸素という名を命名したラボアジェであった。
  • 1785年 - ラボアジェが赤熱した鉄管に水を通すと水素が発生することを示し、水素、酸素こそが元素であって、水は化合物であることを最終的に確認した。
  • 1791年 - イタリアのボルタが酸素と水素が一定の比率で化合する性質を利用し、逆にこれらの気体の分量を測定するユージオメーターを開発した。
  • 1800年 - ボルタ、化学反応による電流の発生に成功。これが化学電池の原型であり「ボルタの電堆」と呼ばれる。
  • 1801年 - イギリスのウィリアム・ニコルソン、「ボルタの電堆」を用いて、初めて水を電気分解した。陰極に水素が2容積、陽極に酸素が1容積発生することを示した。
  • 1920年 - この頃までに水素結合の概念が提唱された。
  • 1933年 - バナールが、水のX線構造解析を行った。
  • 1935年 - ポーリング、氷の残余エントロピーの理論。
  • 1936年 - 中谷宇吉郎雪の結晶を人工的に世界で初めて作成した。
  • 1958年 - アイゲン、水中のプロトン移動に関するモデルを提唱した。
  • 1971年 - ラーマンにより、水の分子動力学法によるシミュレーションが行われた。
  • 1971年 - ペイジが、水の中性子による構造解析を行った。
  • 1994年 - 三島修が、2 つのアモルファス氷の間(低密度⇔高密度)の一次相転移を発見。
  • 2005年 - R. J. D. Miller らにより、水にレーザーパルス照射で生じさせた構造変化は 50 フェムト秒以内に失われることが報告された。

水の性質

水の物理的および化学的な性質については「水の性質」を参照

水の分布

地球の表面の約71%は海水に覆われている。(→)
淡水のほとんどは氷河氷床氷山として存在する。
水循環のモデル図

地球上の水

地球上には多くの水が存在しており、生物の生育や熱の循環に重要な役割を持っている。この水の存在は、気象学海洋学などの地球科学生態学における大きな要因の1つである。水蒸気は最大の温室効果ガスでもある。

地球の水の総量は約14億 km(= 1.4×10 m)と言われ、その97%が海水として存在し、淡水は残り3%に過ぎない。そのほとんどが氷河氷山として存在している。氷の状態の淡水の大部分は南極大陸とグリーンランドが占めている。

位置 淡水湖 | 河川水 | 地下水浅 | 地下水深 | 土壌水 | 氷河 | 大気 | 塩水湖 | 海洋
存在比 (%) 0.009 | 0.0001 | 0.31 | 0.31 | 0.005 | 2.15 | 0.001 | 0.008 | 97.2

この中で、淡水湖河川水地下水浅が、人間が直接に利用可能な水で、総量の1%未満である。飲料水として利用できる水はさらに少ない。海水は天然および人工の全ての汚れを合わせ高濃度に汚染されているため、資源としての利用価値はほとんどない。

地球における継続的な水の循環は水循環と呼ばれている。太陽から与えられたエネルギーを主因として、固相液相気相間で相互に状態を変化させながら、蒸発降水地表流土壌への浸透などを経て、地球上を絶えず循環している。また、この循環の過程で地球表面の熱の移動や浸食・運搬・堆積などの地形を形成する作用が行われる。

太陽系の水

太陽系外の水

太陽系外惑星には、大量の液体の水を保持している可能性のある惑星が複数見つかっている。例えばケプラー22bグリーゼ581dHD 85512 bといった惑星は、地球と同じような環境で水の海を持つと推定されている。しかし、GJ 1214 bかに座55番星eといった惑星は、地球と異なり、高温高圧の超臨界水の海を持つとされている。

2011年クエーサーAPM 08279+5255降着円盤に、地球の水の140兆倍という膨大な量の水が発見された。APM 08279+5255は、宇宙誕生から16億年後の時代に存在する天体であり、このことは、既にこの時代に大量の水が存在していた事を示している。

2012年にはハッブル宇宙望遠鏡の観測により、GJ 1214 bが高温の水蒸気の大気を持つことが確認された。大気の下には超臨界水の海が存在する可能性がある。

生物と水

水は生命の維持に欠かせない
様々な生命が宿るサンゴ礁
極地の風景

生物体を構成する物質で、最も多くを占める物質は水である。細胞質で最も多い物質でもあり、細胞内の物質を代謝する際の媒体としても利用されている。通常、質量にして生物体の70% - 80%が水によって占められており、そのうちわずか数%でも不足すると生命活動に不都合が現れる場合がある。

生きている細胞には(理想的な溶媒である)水が多く含まれており、生命現象を司る化学反応の場を提供し、また水そのものが種々の化学反応の基質となっている。体液として、体内の物質輸送や分泌物、粘膜に用いられる。また高分子鎖とゲル化することで体を支える構造体やレンズにも利用されている。クマムシのように厳しい環境にも耐えられる生物は、体内の水分を放出し、不活性な状態を作り出すことができる。

なお、「生物は太古の海で誕生した」とされることがある。生物の化学組成海水の組成が似ていることもその説の根拠の1つである。地上の生物もその先祖をたどれば水中生活を送っていた、とされる。

陸上のように、常に水に浸かっていない環境では、生物にとって最も重要な問題の1つが水の確保である。陸上の無脊椎動物では、周囲が湿っていなければ活動できない種も多い。陸上生物に見られる進化的形態の多くが、水の確保や自由水が限られた環境への適応である。クマムシの場合も、頻繁に乾燥にさらされる環境への適応として、休眠の能力が発達したと考えられている。

人間と水

人体と水

人体における水分量は年齢・性別によって異なり、新生児で約80%、成人で60%前後、高齢者は50%台となる。また女性は男性に比べて体内の脂肪分が多い関係で水分量は同年代の男性に比べてやや少ない。そして「その人体の水のうち45%までが、細胞内に封じ込められた水で、残り15%が血液リンパ液など細胞の外にある水」と言われている。この細胞内液細胞外液の両者を総称して体液と呼ぶ。この体液が生命の維持、活動に重要な役割を果たす。

なおニッスイによると1日に排出される水の量は体重60 kgの成人男性で2500 mLであり、内訳としては尿が1400 mL、100 mL、汗500 mL、肺からの呼気500 mLである。1日に必要な水の量は当然2500 mLで、一般に飲料水から1200 mL、食物から1000 mLが摂取され、残りは体内で行われた代謝の結果生じた水を300 mL得ている。

水は強力な水素結合で水分子同士が引き合っているために蒸発潜熱が多い。このため汗が蒸発することにより、非常に効率良く体温を下げられる。

脱水症

体内の水分量が不足した状態を医学的には脱水と呼ぶ。水分喪失量に対して水分摂取量が不足することによって起こる。水分摂取不足、あるいは水分喪失過剰、あるいは水分摂取不足と水分喪失過剰の同時進行によって起きる。具体的には、高温の環境、重作業、激しい運動発熱下痢嘔吐などが原因となって起きる。

水中毒

人体が過剰な水分を投与された場合、細胞外液浸透圧が異常に下がり、低ナトリウム血症によって悪心、頭痛、間代性の痙攣意識障害等の症状を引き起こす。これを水中毒と言い、輸液ミス、心因性多飲、SIADHなどの結果として見られる。なお致死量は体重65 kgのヒトで10 - 30 リットル/日である。

水中毒」も参照


人間の健康と水

安全な水を飲めるかどうか、ということは人間の健康に大きな影響を及ぼしている。 汚物などに触れた不衛生な水を飲むと、コレラ腸チフス赤痢などで命を落とす者が出る。そしてこれらの病気は伝染する。体力の弱い乳幼児は、不衛生な水を摂ると、しばしば酷い下痢を起こし脱水症状で死亡する。老人も免疫力が弱く、不衛生な水で命を落としやすい。また、不衛生な水は寄生虫の問題も引き起こす。

古代でも中世でも、人類のほとんどは水道無しで生活していたと考えてよい。都市で暮らすにしても上水道が無かったのである。 安全な水を飲む方法として古代から行われている1つの方法は、煮沸(しゃふつ)してから口に入れるという方法である。

水道

古代ローマの水道橋であるフランスポン・デュ・ガール

ローマ帝国(古代ローマ)は、土木技術に秀でており、ローマに水を引くべく水道を建設した。これのおかげでローマの住むローマ市民は公衆浴場を利用することができた。ローマには公共の水洗トイレもあった。石でできたベンチ状の物の下を水が流れており、ベンチには穴があいており、そこにこしかけて用をすれば、排泄物が流れてゆくのである。ローマのように水がふんだんにある都市生活は世界的に見て例外的であり、他に類を見ない状態であった。 ローマ帝国の時代、ローマという都市に住む人たちは風呂に頻繁に入っていたわけだが、その後、彼ら(かつてのローマ帝国の中核的市民。今のローマ市民やイタリア人)は頻繁に風呂に入る習慣は失った。

都市では、都市で生活する者に安全な飲料水をいかにして届けるかということは、都市を治める者、政治を行う者にとって大きな問題である。

日本の江戸では、水不足の状態を改善するために、1652年に玉川上水の建設が計画され、翌1653年、まずは本線が建設された。難工事で幕府の用意した資金は底をついてしまい、玉川兄弟は自宅を売って建設を続行したという。承応3年(1654年)6月から、江戸市中への通水が開始された。玉川上水は江戸っ子の自慢となった。江戸の上水道は世界的に見て質が高かったと指摘されることは多い。

京都では1885年(明治18年)に琵琶湖第1疏水を着工、1890年(明治23年)に完成した。

ヨーロッパの小都市の広場などにある 「fonteフォンテ」 や「fontaineフォンテーヌ」(=「泉」)の例。

ヨーロッパではどんな状態だったかというと、ヨーロッパでは中世、各都市は外敵を防ぐべく壁を建設し(城塞都市)、自治が行われ、独立性が高く、小さな国のような様

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出典:wikipedia
2020/07/12 15:54

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