2.14: 水の三態

水は、固体（氷）、液体、気体（蒸気）の 三態で存在します。水の状態は水分子を一緒にまとめる分子間力とそれらを引き離す運動エネルギーに左右されます。

分子間力が運動エネルギーより大きいと水は凍結します。他のほとんどの物質と異なり、水は液体状態よりも固体状態で密度が低くなります。これは、各水分子が 4 つの分子と結合し、間隔の空いた四面体組織を形成できるからです。この特性により氷は水に浮くことができます。浮氷がなければ、水は底から凍結し、水生生物を殺してしまうでしょう。

熱により氷に運動エネルギーが加わると、氷は液体の水へと溶けます。この状態では、水分子間の結合は絶えず壊れ、再度形作られています。氷が溶けると、水の温度は全量が液体になるまで融点に留まります。 そうして初めて、水温は融点を超えて上昇するのです。

運動エネルギーが分子間力に勝ると、液体の水は（あるいは氷でさえ）気体になります。液体の水から蒸気が発生する過程は気化と呼ばれます。運動エネルギーの増加は、沸騰のように試料内で起こる場合と、水が蒸発する時に表面で生じる場合があります。固体から液相を経ずに直接気体が発生する過程は昇華といいます。この変化は、運動エネルギーの効果を増大させる低気圧に左右されます。

運動エネルギーが低下すると、蒸気は液体に変化する凝縮か、固体に直接変化する凝結または昇華を起こします。凝結は雨を生み、凝結は雪を生みます。

地球の生命が水から始まったことから、他の生体適合性のある惑星を探す上で、水の存在は非常に重要であり、特に液体であることが重要になります。エンケラドスは氷に覆われた土星の衛星で、その南極には水の噴出口や間欠泉があります。そこでは水蒸気と氷の両方が噴出していることが判明したため、当初、エンケラドスが氷の下に液体の水を持っているかについて多くの論争が生じました。しかし、土星の周囲の衛星軌道やその他の手がかりから、エンケラドスには広大な液体の海が存在することが示唆され、生命が住みやすい場所である可能性が出てきています。

例えば水のような 多くの物質は、固体・液体・気体の３つの状態のいずれかをしており、分子間の引き合う力と 運動エネルギーの関係によって決まります 例えば固体である氷は、温度が摂氏0度以下になり、運動エネルギーが低下した状態です 分子間の水素は、格子状に結合しています 温度が上昇すると、運動エネルギーが回復し、結合の大半が 離れていきます これが固体から液体になる融点です この時、分子は常に お互いに結合・分解しています 温度が摂氏100度以上になると 水が水蒸気となります 気体ではすべての結合が壊れ、自由な運動が可能です 温度が下がり、気体から液体になることを 凝縮と呼びます また、気体は直接固体になることもあり 液体にならないことを凝華と呼びます 雪片がその例です 逆に固体から直接気体になることを 昇華と呼び、食品の冷凍がその一例です