コラム『ごみは異なもの味なもの』
第９話 - マクロ（巨視）の世界とミクロ（微視）の世界
2009/09/02 NPO法人理事長 広瀬立成
私たちが目で見ることができる物質の世界が「マクロ（巨視）の世界」。これに対して、物質を構成する基本的な（微視の）要素に注目したとき、その世界を「ミクロ（微視）の世界」とよぶ。ニュートン力学はマクロの世界の運動法則を明らかにした。分子や原子などのミクロの世界にはニュートン力学では説明できない現象があり、その解明には、２０世紀に発展した量子力学を待たねばならなかった。物質を解明するための物理学の手法は、量子力学を駆使して、その物質の、ミクロの世界におけるふるまいを調べることである。
ここでも、物理学の常套手段にしたがって、ミクロの水、すなわち水分子に目を向け、その特性を調べることにしよう。ただし、量子力学の詳細には立ち入らないことにする。
水分子H2Oは、水素原子２個と酸素原子１個からできている。原子の中心には、原子核とよぶ小さな核があり、そのまわりをマイナス電荷をもつ電子が回っている。原子核は、陽子と中性子からなり、陽子はプラス電荷をもつが、中性子は電気的に中性。ややこしい説明より、百聞は一見にしかず。図に示した酸素原子と水素原子の構造を見てほしい。
陽子の数を、原子番号とよぶ。それは、原子の質量や特性を表わす指標である。ちなみに、水素原子と酸素原子の原子番号は、それぞれ１と８。原子の質量は、ほぼ、陽子と中性子の質量（原子核の質量）の和になる（電子の質量は、陽子・中性に比べ、１８４０分の１）。体重６０kgの人であれば、３０gほどが電子で、あとの大部分は陽子と中性子ということになる。
以下でしばしば使う物質量の基本単位「モル」を説明しておく。
質量数１２の炭素１２（陽子６個、中性子６個、電子６個）１２g中にふくまれる原子の数（アボガドロ数=６x１０２３）と同数の原子、分子の物質量を1モルと定義する（アボガドロ数は、２x３＝６と覚えておこう）。
たとえば、水素原子1モルの質量は約１g、酸素原子は約１６g、水分子は約１８g。水や氷の比重を約１とすると、1モル（１８g）は、約１８立方センチメートル（cc）となる。標準状態(０℃、１気圧)では、気体分子1モルの体積は22.4リットルになる。
アボガドロ数は気が遠くなるほど巨大な数だ。それは、１兆の6000億倍。もし１秒に１づつ数えていくと、宇宙の年齢（約１４０億年）の100万倍もの時間を要する。手の平にすくった水のなかに、これほど莫大な分子があるとは驚きだ。自然は奥深い！