水素結合

いくつかの磁石を近くに置くと、N極とS極がピタッとくっつく様子が見られますよね。水分子（H₂O）の間でも、これとよく似たことが絶え間なく起きています。ただし磁石は磁力ですが、水分子どうしはプラスとマイナスの電荷による電気的な引力で引き合っています。

酸素原子は電子を強く引きつける性質（電気陰性度）が非常に強力です。一方、水素原子は酸素に比べて電子を引きつける力がずっと弱いです。酸素と水素は電子対を分け合う共有結合で結ばれていますが、この電子対が酸素側に大きく偏ってしまいます。そのため、水素はわずかにプラス（δ+）、酸素はわずかにマイナス（δ-）の電荷を帯びることになります。

こうしてプラス寄りの性質を持った水素は、隣にある別の水分子の酸素に強く惹きつけられます。このように、電子を強く引きつける酸素・窒素・フッ素と結合した水素が、隣の分子（または同じ分子内の離れた部分）の酸素や窒素などの原子を引き寄せる力を水素結合と呼びます。

ひとつの水分子は、最大で4つの隣り合う水分子と同時にこの結合を結ぶことができます。水滴が丸くまとまったり、コップの縁から水が盛り上がったりする表面張力も、無数の水分子が互いをしっかりとつなぎとめる力から生まれる現象です。

水素結合は、原子どうしが電子を共有して固く結ばれている共有結合よりはずっと弱いです。しかし、一般的な分子の間に働く微弱な引力であるファンデルワールス力よりは、概して強い力を持ちます。

この「適度にしっかりしていながら、必要なときには簡単にほどける強さ」は、地球上の生命にとってとてつもない恩恵となっています。私たちの体の設計図であるDNAの二重らせん構造は、まさにこの水素結合によって2本の鎖がしなやかにつながり合っているからです。

細胞が遺伝情報を読み取ったり、新しい細胞を作るために複製したりするときは、ファスナーを開けるように滑らかに2本に分かれなければなりません。もし共有結合のように硬すぎたら、DNAを開くために膨大なエネルギーが必要になりますし、逆に弱すぎたら簡単にほどけてしまって二重らせん構造を安定して保てなくなります。水素結合はA-T、G-Cのように決まった塩基どうしを正確に結びつけ、二重らせんの安定には塩基どうしが重なり合う力も大きく貢献しています。

タンパク質が正しく機能するように特定の立体構造へと折りたたまれ、その形を保つためにも水素結合が重要な役割を果たしています（らせん構造やシート構造など）。このように、生命現象の多くがこの絶妙な強さの結合に支えられているのです。

普通の液体は温度が下がって固体へと凍りつくと、分子の動きが鈍くなってぎゅっと隙間なく集まるため、体積が減って密度が大きくなります。ところが多くの物質とは異なり、水はまったく逆の振る舞いをします。氷になるとむしろ体積が増えて密度が小さくなり、水の上にぷかぷかと浮かぶのです。

液体の状態の水分子は活発に動き回りながら入り組んでいますが、温度が氷点下になって氷になると、水素結合が一定の角度を保ちながらきれいに整列します。その結果、中心に大きな空洞がぽっかりと空いた六角形の網目構造を骨組みのように形成します。

隙間の多い空間が規則正しく並ぶことで、全体の体積は約9パーセント膨らみ、単位体積あたりの質量である密度は逆に低くなります。固体の方が液体よりも密度が低くなるという非常に珍しい性質は、まさに水素結合によってもたらされているのです。

氷が水に浮くというこの特別な性質のおかげで、厳しい冬でも川や湖は表面から凍り始め、その氷が下層の水を包み込む断熱材の役割を果たします。底まで完全に凍りつかないため、多くの水生生物が寒い冬でも無事に生き延びることができるのです。