融点や凝固点はなぜその値なのか

質問

ある気圧のもとでは水は0度で凝固し１００度で沸騰します。
0度と１００度は人間が決めたもの、というのも知っています。

それを踏まえた上で、なぜ水は0度で凝固するのでしょうか？
原子や分子のどこを見ると0度で凝固するよっていう情報が得られるのでしょうか？

水のそういった振る舞いの仕様はどのように表現されているのでしょうか。
人間の仕様はDNAに表現されていると思いますが、水の場合どうなんでしょう？

水は例であって、すべての元素で同じことが言えると思います。
学校では習った記憶がありません。すみませんが、どなたか教えていただけないと
夜すっきり寝れません。
どうかよろしくお願いします。

回答No.4

mide · ベストアンサー

水は，分子量が18と小さい割に融点や沸点が異常に高い稀有な物質ですね。同じくらいの分子量の物質の融点や沸点はのきなみ-100℃以下ですから。

このように融点が高いのは「水素結合結晶」という要因があるようです。つまり水素結合の力が非常に強いので，これを断ち切るためには高いエネルギーがいるということですね。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B4%E7%B4%A0%E7%B5%90%E5%90%88%E7%B5%90%E6%99%B6
http://sci.la.coocan.jp/fchem/log/nichijo/757.html

融点や沸点の高さにはもちろん他の要因もあるので，構造が分かったからといって何度になるかを簡単に計算はできないと思います。

お礼

分子間力が大変有力なキーワードのようですので、BAにさせて頂きました。
皆様のおかげで夜ぐっすり寝れそうです。
お時間を割いて回答していただいて、大変感謝しております。
ありがとうございます。

補足

要因がすべてわかれば計算可能なもの、という解釈でしょうか。

教えていただいたサイトに

> なお、ポーリングの『一般化学』には、水にもし水素結合がなければ、融点は－100℃、沸点は －80℃ の値を示すだろうと書かれています。
とありました。

これも計算可能であることを示していますね。
似た元素みて勘で出した数値じゃないですよね。

沸点、融点を決定づける要因として、分子間力が大きく関わっていることは
知りませんでした。
分子間力の力の大きさがどのように決まるのかが計算可能な範疇だとすると
水分子がどうして水として振る舞うのか、分子の構造から読み解けるということですね。

回答No.6

tetsumyi

温度とは何かを理論的に理解して計算できます。
温度とは各分子が持つ運動エネルギーで、このエネルギーが分子同士を結びつけて結合させるエネルギーを上回った場合に氷から水になります。
また、運動エネルギーが結合させるエネルギーより小さくなると水が氷になります。
これらは分子間に働く力ですから圧力にも依存します。
水は特殊な分子であり、へに字型の分子形状をしているために運動の自由度が高く比熱凝固熱、気化熱が特別に大きいことで知られています。
もちろん全ての元素、分子にも同等の変化があり、これらは物質の三態と呼ばれ物理学を学んだ人にとって常識です。
http://www.con-pro.net/readings/water/doc0005.html

お礼

皆様のおかげで夜ぐっすり寝れそうです。
お時間を割いて回答していただいて、大変感謝しております。
ありがとうございます。

補足

やはり分子の構造をもとに計算可能なものなのですね。
もともとの疑問であった「水はなぜ水として振る舞うのか」については
水分子がそう振る舞う形をしているから、と理解すればOKでしょうか。

DNAのような設計図がどっかにあると面白いなぁーと思っていたんですが、
なんてことはない見慣れた分子図が設計図ということですね。
表面張力の強さも分子間力で説明できるみたいだし、結局水のスペックは
水分子の構造によって決定づけられているわけですね。

# いや、さすがに三態は知っていますが、ガラスが液体というのは
# 生理的に受け入れがたい…

回答No.5

NiPdPt

#2補足です。
基本的にある物質が同圧力のもとで２種類の沸点をもつことはありません。
その物質を加熱していって、それらのうちの低い方の温度で沸騰するのであれば、それよりも高温では気体になっているはずであり、その気体が再度沸騰するということはあり得ないからです。
あなたのご質問にある５０℃で沸騰する水が存在するならば、それは100℃で沸騰する水とは別の物質です。

ご承知かとは思いますが、たとえば、固体であれば複数の結晶状態を有するものは存在し、それらの融点は異なっています。また、単体であればおなじ「リン」であっても何種類かのものが知られており、融点沸点にとどまらず化学的性質も異なっています。この場合には一見すると同じ物質であっても原子の結びつき方が違うために化学的性質が異なっています。これは「同素体」と呼ばれ、別の物質であると考えます。また、有機化合物であれば同じ分子式をもちながらも異なる物質（＝異性体）が存在します。
仮に、５０℃で沸騰する水（？）が存在するのであれば、それは上述のいずれか（強いて言えば異性体）と言うことになるでしょうが、今後、我々の身の回りと同等の温度や圧力のもとで、そういったものが見つかることはないと思います。絶対に存在し得ないとまでは言えないとは思いますけどね。仮に見つかったとすれば、従来の水とは沸点が違うわけですから別の物質として扱うことになるでしょうし、違う別の名前をつけなければならないでしょう。

お礼

追加の疑問にも回答くださってありがとうございます。
皆様のおかげで夜ぐっすり寝れそうです。
お時間を割いて回答していただいて、大変感謝しております。
ありがとうございます。

補足

50度で沸騰する水はもはや水ではない、ということですね。
おっしゃる通りだと思います。

同素体は結びつきが違うので違う物質、それにはなんの疑問もありません。
ちなみに異性体は知りませんでした（忘れてる？？）。
勉強になります。

回答No.3

fjnobu

現実がそのようになっている以外にはないと思います。
たとえば、同じ水でも静かにして徐々に冷やしていくと零下１０でも液体の状態もあります。
条件を整えておけば、再現性があるので、０℃と１００℃が決まったのでしょう。

補足

過冷却については知っています。
それについても、観測結果の解説しか見たことがありません。

水は身近にあるものなので、1ccが1gとか1ccの水を１度上げる熱量が1jとか（厳密には違うとかは置いておいて）
基準として歴史的に使われているのはわかります。
そういった流れの中で、水の凍結を０度、沸騰を１００度と「決めた」のもわかります。

水がその温度（と気圧）でそう振舞う理由はなんなのでしょうか。
観測結果がそうであるため、というのは現代の科学でもそうなのでしょうか。

回答No.2

NiPdPt

実際に測定するとそうなるということ以外の決定的な理由はありません。

どうしてその程度の値になるかということに関して、水の分子の構造や分子間力などに基づいた理論的な説明は可能でしょうけど、それとて所詮、実験結果に基づいたものです。

補足

なんか夜寝れなそうですね…

では、１気圧５０度で沸騰する水というのは存在しうるでしょうか？
存在しないと思いますが、存在しない理由はなんなのでしょうか。
そのなかに答えのヒントがあるような気がします。

例えばニュートンが発見した万有引力も、当時は観測結果が理由と
なっていましたが、現在では相対性理論によって説明できます。

水が１００度で沸騰する現象は、２１世紀現在も観測結果がそうだから、
という理由なのでしょうか。

回答No.1

noname#157574

標準状態（0℃，1 気圧）の下では，水の凝固点（氷点）は 0℃，沸点は 100℃と決められておりました．
　その後，新しい温度目盛りが定められ，水の凝固点は 0℃，三重点は 0.01℃と再定義され，沸点は温度を決める基準から外されました．現在の基準では，沸点は標準状態で 99.974℃です．
　詳しくは化学の教科書をご覧ください．

お礼

皆様のおかげで夜ぐっすり寝れそうです。
お時間を割いて回答していただいて、大変感謝しております。
ありがとうございます。

補足

気圧が変われば沸点凝固点が変わるのは理解しています。
どうして変わるのかも理解しています。
沸点が厳密に１００度ではないのも理解しています。

では、標準状態で 99.974℃で沸騰するのはなぜですか？
水分子のどこを観測するとその数字がわかるのでしょうか？

条件を整えて加熱して計測すると沸騰時に99.974℃を示すのは分かるのですが、
どうしてその温度で沸騰するのか、水はどうしてそのように振る舞うのか、
それがどこで決定づいているのか知りたいのです。