水分子のクラスターの測定

固体である水ばかりでなく、液体である水もいろいろ変わった性質をもった物質であることが
わかってきました。

融点や沸点に関しても、水は非常に異常な行動を取ります。化学の分野では周期表の同族化合物間では大体似たような性質を示すのですが、水は例外で、水の融点は同系列のほかの物質と比べて極端に高いのです。元素の周期表で酸素と同じ16族元素の水素化物の融点をみると、水を除く三種の水素化物の値は分子量が大きくなるにつれて高くなりますが、最も分子量の大きいテランでも常温では気体なので、水だけが飛び抜けて大きい値を示していることがわかります。

水の分子量18という低から予想される融点は、約-100度ですが、実際の水の融点は、0度です。沸点の場合も同様で、分子量から予想される水の沸点は、約-80度ですが、実際は100度です。

すなわち、水は18という分子量より、はるかに大きな分子量の化合物が示す融点や沸点をもっていることがわかります。これは、水が分子量18の物質ではなく、それらが互いに固まって集合体を形成しているのだと考えれば、説明がつくのです。

水分子の「かたまり」( クラスター の大きさをNMR(核磁気共鳴) 装置で明らかにすることができるようになりました。

磁石を水に近づけた経験をもつ人はあまりいないと思います。水は全く磁性をもたない物質ですから、磁石を近づけても、当然吸い寄せられないし、反発もしません。

しかし、これは水の分子レベルの話であって、水の原子核のレベルでは外部の磁気を感じとり、微妙な反応を見せるのです。水の水素の原子核は、まるで地球のように自転しながら、それ自体が小さな磁石になっているということです。これに外から磁場がかかると、磁場の方向を軸にして、この小さな磁石がコマのような、みそすり運動を始めるのです。

このみそすり運動をしている水素の原子核に電磁波を当てると、みそすり運動の速さに見合う周披数で電磁波の吸収が起きます。これを共鳴といい、この現象を核磁気共鳴、NMRというのです。

水は分子1個では存在できず、水素結合を行なって最低5分子以上がつながっている。そして、
その状態は固定しておらず、大集団を作ったり壊れたりを繰り返しています。

NMR装置は、このような水分子運動の速さをとらえ、これを周波数のヘルツで表わすことのできる装置です。

数値は小さいほど、分子運動が速いということです。分子運動が速いということは、小さな分子の集団が多く、活発に運動しているということです。

みそすり運動をしている水分子の水素の原子核の分布を核磁気共鳴によって類推できれば、水
分子のクラスターの大きさがわかることになります。

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