何やら色々おっしゃる方がおられるようなので、
水分子と氷の結晶について、
科学的にわかっていることをここにまとめておきたいと思います。
真空中に孤立した水分子（H2O）の構造は、振動・回転スペクトルの解析によって決定されており、酸素原子と水素原子の結合距離は0.9579オングストローム、H-O-Hの結合角は104.500度だとされています。[文献1]
この水分子の構造は量子力学的にも確認されています。酸素原子の2個の2s軌道と4個の2p軌道から4個の混成軌道が形成され、このうちの2個が水素原子との結合に用いられています。残りの混成軌道には電子が2つずつ入って孤立電子対を形成しています。2個のO-H結合と2個の孤立電子対は酸素を中心としてほぼ正四面体の頂点の方向を向いています。完全な正四面体の場合、H-O-Hの結合角は109.5度となるはずですが、実際は5度だけ小さな値（104.500度）となっています。これは4個の混成軌道が等価ではないためであり、特に不思議だというわけではありません。
通常の氷である氷Ihの構造はX線結晶解析、中性子回折や電子線回折によって決定されたものです。1920年代のX線構造解析の研究により、酸素原子の位置は決定されましたが、当時はまだ水素原子の位置がわかりませんでした。
このような状況のもと、1933年にバナールとファウラーは氷結晶中の水素原子の位置は規則的ではなく、次の条件を満たしているのみであると提唱しました。
1. 1個の酸素原子の近傍には2個の水素原子が存在する。
2. 1本の水素結合の上には1個の水素原子が存在する。
これがバナール・ファウラーの氷の規則（アイス・ルール）と呼ばれるものです。その後、1935年にポーリングが水素原子は水素結合上の２つの安定位置の間を熱運動により激しく行ったり来たりしているという「氷の統計模型」を提唱しました。
その後、1957年の中性子回折の実験[文献2]と1960年の電子線回折の実験[文献3]等によりやっと水素原子の位置が確認されました。これらの実験によると、水素原子核は２つの酸素原子の間の2点に観測されました。つまり、水素原子の安定位置は２つあり、その間を熱運動で行ったり来たりしていることが証明されたのです。
また、この２つの水素原子の安定位置は微妙にエネルギーに差があるので、長期間低温で保存すれば、水素原子は２つの位置のうち、より安定な位置に緩和し、「完璧な結晶性氷」になると考えられています。この氷の秩序化にかかる時間は-180℃程度の温度で3年かかると予想されています。「完璧な結晶性氷」を人類はまだ見たことはありませんが、木星や土星の衛星には存在しているのではないか？と言われています。
ま、だいたいこんなとこですかね？
何か間違い等あれば指摘してください。
参考文献
[1] O.L.Polyansky, et al., J. Chem. Phys., 105, 6490-6497 (1996).
[2] S. W. Peterson & H. A. Levy, Acta Cryst., 10, 70-76 (1957).
[3] K. Shimaoka, J. Phys. Soc. Jpn., 15, 106-119 (1960).
[4] 「氷の科学」前野紀一（北海道大学図書刊行解）
[5] 「水の書」荒田洋治（共立出版）
水分子と氷の結晶について、
科学的にわかっていることをここにまとめておきたいと思います。
真空中に孤立した水分子（H2O）の構造は、振動・回転スペクトルの解析によって決定されており、酸素原子と水素原子の結合距離は0.9579オングストローム、H-O-Hの結合角は104.500度だとされています。[文献1]
この水分子の構造は量子力学的にも確認されています。酸素原子の2個の2s軌道と4個の2p軌道から4個の混成軌道が形成され、このうちの2個が水素原子との結合に用いられています。残りの混成軌道には電子が2つずつ入って孤立電子対を形成しています。2個のO-H結合と2個の孤立電子対は酸素を中心としてほぼ正四面体の頂点の方向を向いています。完全な正四面体の場合、H-O-Hの結合角は109.5度となるはずですが、実際は5度だけ小さな値（104.500度）となっています。これは4個の混成軌道が等価ではないためであり、特に不思議だというわけではありません。
通常の氷である氷Ihの構造はX線結晶解析、中性子回折や電子線回折によって決定されたものです。1920年代のX線構造解析の研究により、酸素原子の位置は決定されましたが、当時はまだ水素原子の位置がわかりませんでした。
このような状況のもと、1933年にバナールとファウラーは氷結晶中の水素原子の位置は規則的ではなく、次の条件を満たしているのみであると提唱しました。
1. 1個の酸素原子の近傍には2個の水素原子が存在する。
2. 1本の水素結合の上には1個の水素原子が存在する。
これがバナール・ファウラーの氷の規則（アイス・ルール）と呼ばれるものです。その後、1935年にポーリングが水素原子は水素結合上の２つの安定位置の間を熱運動により激しく行ったり来たりしているという「氷の統計模型」を提唱しました。
その後、1957年の中性子回折の実験[文献2]と1960年の電子線回折の実験[文献3]等によりやっと水素原子の位置が確認されました。これらの実験によると、水素原子核は２つの酸素原子の間の2点に観測されました。つまり、水素原子の安定位置は２つあり、その間を熱運動で行ったり来たりしていることが証明されたのです。
また、この２つの水素原子の安定位置は微妙にエネルギーに差があるので、長期間低温で保存すれば、水素原子は２つの位置のうち、より安定な位置に緩和し、「完璧な結晶性氷」になると考えられています。この氷の秩序化にかかる時間は-180℃程度の温度で3年かかると予想されています。「完璧な結晶性氷」を人類はまだ見たことはありませんが、木星や土星の衛星には存在しているのではないか？と言われています。
ま、だいたいこんなとこですかね？
何か間違い等あれば指摘してください。
参考文献
[1] O.L.Polyansky, et al., J. Chem. Phys., 105, 6490-6497 (1996).
[2] S. W. Peterson & H. A. Levy, Acta Cryst., 10, 70-76 (1957).
[3] K. Shimaoka, J. Phys. Soc. Jpn., 15, 106-119 (1960).
[4] 「氷の科学」前野紀一（北海道大学図書刊行解）
[5] 「水の書」荒田洋治（共立出版）
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コメント(93)
ながぴいさんの５４のトビに対する回答ですが
別段・・ながぴいさんの生徒になるつもりもない相手に対する意見ではない
だから・・使われた日本語も間違っています
ながぴいさんが現代科学の代表なんですか？
私の手先のことを考えるより構造からの体積比率を示されることのほうが物理的な回答では？
ながぴいさんがここでされたことは・・
あっちの理論が正しいと主張されておきながら
水の専門家がこっちが正しいと私が書けばひるがえす・・
それの繰り返しだけで何処にも科学者らしさも基本も持っておられない。
だから・・最後に物理以外で私を否定しにかかられる
物理なんだから真理に迫ればいいじゃないかと思うのだが
勝手に現代科学は自分の考えと同じだというふうに書かれる
冗談ではない・・
天羽さんも松本さんももっと芯は通っています。
少なくとも相手に落第なんて失礼な言葉は使わない。
物理学者以前の問題だと考えるが・・
別段・・ながぴいさんの生徒になるつもりもない相手に対する意見ではない
だから・・使われた日本語も間違っています
ながぴいさんが現代科学の代表なんですか？
私の手先のことを考えるより構造からの体積比率を示されることのほうが物理的な回答では？
ながぴいさんがここでされたことは・・
あっちの理論が正しいと主張されておきながら
水の専門家がこっちが正しいと私が書けばひるがえす・・
それの繰り返しだけで何処にも科学者らしさも基本も持っておられない。
だから・・最後に物理以外で私を否定しにかかられる
物理なんだから真理に迫ればいいじゃないかと思うのだが
勝手に現代科学は自分の考えと同じだというふうに書かれる
冗談ではない・・
天羽さんも松本さんももっと芯は通っています。
少なくとも相手に落第なんて失礼な言葉は使わない。
物理学者以前の問題だと考えるが・・
私はトップに書き込まれたものは不正確ではないと考えます
その時代における実験装置で最も正しいと考えられた仮説による結果であるのは事実でしょう。
ただ・・
氷Ihが正しいと考えた方向からの仮説は限定されます
酸素配列の部分で氷Ihは実験事実と同じである
そこからながぴいさんは私のモデルは酸素配列が同じように見えるが正４面体で結合しているかと聞かれました。
>１個の酸素原子は隣接する４つの酸素原子と正四面体構造を形成
していれば液体から固体への１割しか増加しない事実に反します
48で書かれた
>X線構造解析等の結果では、氷Ihでは１つの酸素原子の周りに4個の酸素原子が正四面体状に配置されています。
これなんですが・・
X線構造解析等の映し出された映像は六方昌から見てどの角度ですか？
モデルの写真で見えているのが上とすれば横からも映し出されて正４面体に結合していることが判明します。
私は六方昌の結合する向きまで限定しましたが・・
限定しなければX線構造解析等の映像は様々な角度から映し出すことになります。
氷Ihに方向がなければ六方昌を上に向けて水面の氷が結合する理由はないのです。しかし、六方昌を上に向けて必ず結合してしまえばX線構造解析等の映像は必ず同じ方向からしか映し出しません。
氷Ihが実験事実を再現したモデル
というのであればX線構造解析等の映像はモデルの写真と同じ方向から映し出されたことになりますね？
ながぴいさんが私のモデルが正４面体に結合しているかと聞かれたのは他の科学者と同じ『隣接する4つの酸素原子と正４面体に結合している』・・という仮説からなのです。
同じ方向から映した私のモデルは非常に歪んだ4面体結合です
でなければ水から氷への体積の比率が整合しません。
これは余談ですが・・
天羽さんは正4面体に水分子は結合していないと考えられているでしょう。ご自分の研究であるラマンのなかで『歪んだ4面体結合』と書かれていたのを覚えています。
正4面体でなければ結合できない氷Ihの構造なのに、それを否定するような部分もあるのが面白いと考えます。
もう一度再考される参考になればと思います。
その時代における実験装置で最も正しいと考えられた仮説による結果であるのは事実でしょう。
ただ・・
氷Ihが正しいと考えた方向からの仮説は限定されます
酸素配列の部分で氷Ihは実験事実と同じである
そこからながぴいさんは私のモデルは酸素配列が同じように見えるが正４面体で結合しているかと聞かれました。
>１個の酸素原子は隣接する４つの酸素原子と正四面体構造を形成
していれば液体から固体への１割しか増加しない事実に反します
48で書かれた
>X線構造解析等の結果では、氷Ihでは１つの酸素原子の周りに4個の酸素原子が正四面体状に配置されています。
これなんですが・・
X線構造解析等の映し出された映像は六方昌から見てどの角度ですか？
モデルの写真で見えているのが上とすれば横からも映し出されて正４面体に結合していることが判明します。
私は六方昌の結合する向きまで限定しましたが・・
限定しなければX線構造解析等の映像は様々な角度から映し出すことになります。
氷Ihに方向がなければ六方昌を上に向けて水面の氷が結合する理由はないのです。しかし、六方昌を上に向けて必ず結合してしまえばX線構造解析等の映像は必ず同じ方向からしか映し出しません。
氷Ihが実験事実を再現したモデル
というのであればX線構造解析等の映像はモデルの写真と同じ方向から映し出されたことになりますね？
ながぴいさんが私のモデルが正４面体に結合しているかと聞かれたのは他の科学者と同じ『隣接する4つの酸素原子と正４面体に結合している』・・という仮説からなのです。
同じ方向から映した私のモデルは非常に歪んだ4面体結合です
でなければ水から氷への体積の比率が整合しません。
これは余談ですが・・
天羽さんは正4面体に水分子は結合していないと考えられているでしょう。ご自分の研究であるラマンのなかで『歪んだ4面体結合』と書かれていたのを覚えています。
正4面体でなければ結合できない氷Ihの構造なのに、それを否定するような部分もあるのが面白いと考えます。
もう一度再考される参考になればと思います。
>氷Ihの構造になります。
というのは０ケルビンでのお話です。「氷Ihの構造」として本に掲載されている図になるためにはこの他にも前提条件がいくつかある、ということは何回か申し上げているとおりです。
実際には、０ケルビンという条件でDFTをきっちりと使えて統計熱力ともきっちり合わせられることは(少なくとも私には)無理なので、いくら理論計算したところで氷Ihの構造にはならないよ、という単純な反語だったのですが..
もっと明快な文法で述べるように心がけます。
>これをご覧の方の中で、何℃でもいいのですが実際の構造として「氷Ihが正しい」と本気でお考えの人はいらっしゃるのですか？
で、結局ターボさんはこれの答えはYesですかNoですか？
明確に書くと
「０ケルビン以外でも実際の氷の構造は(本に載っている)氷Ihの構造をとっている。YesかNoか？」
みなさんはどうなんでしょうか？
私の答えはNoです。
というのは０ケルビンでのお話です。「氷Ihの構造」として本に掲載されている図になるためにはこの他にも前提条件がいくつかある、ということは何回か申し上げているとおりです。
実際には、０ケルビンという条件でDFTをきっちりと使えて統計熱力ともきっちり合わせられることは(少なくとも私には)無理なので、いくら理論計算したところで氷Ihの構造にはならないよ、という単純な反語だったのですが..
もっと明快な文法で述べるように心がけます。
>これをご覧の方の中で、何℃でもいいのですが実際の構造として「氷Ihが正しい」と本気でお考えの人はいらっしゃるのですか？
で、結局ターボさんはこれの答えはYesですかNoですか？
明確に書くと
「０ケルビン以外でも実際の氷の構造は(本に載っている)氷Ihの構造をとっている。YesかNoか？」
みなさんはどうなんでしょうか？
私の答えはNoです。
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