なぜ水に溶けるものと溶けないものがあるのか？溶解の科学
身近な疑問：溶けるものと溶けないもの
私たちの周りには、様々な物質があります。コーヒーに砂糖やミルクを入れると溶けて見えなくなりますし、料理で塩を水に溶かすこともあります。一方で、水と油は混ざり合わずに二層に分かれますし、砂を水に入れても底に沈むだけで溶けません。
このように、「水に溶ける物質」と「水に溶けない物質」があるのはなぜでしょうか。この身近な現象の背景には、物質を構成する小さな粒、分子の性質が深く関わっています。今回は、「溶解」という現象の科学について、分かりやすく解説していきます。
水は特別な溶媒
物質を溶かす液体を「溶媒（ようばい）」、溶かされる物質を「溶質（ようしつ）」、そして溶質が溶媒に溶けた液体全体を「溶液（ようえき）」と呼びます。例えば、砂糖水では水が溶媒、砂糖が溶質、砂糖水が溶液です。
水は、多くの物質を溶かすことができる非常に優れた溶媒です。これは、水を構成する「水分子」の特別な構造と性質によるものです。
水分子（H₂O）は、一つの酸素原子（O）と二つの水素原子（H）からできています。これらの原子は「共有結合」という化学的な結びつきでつながっています。酸素原子は水素原子よりも電子を引き付ける力が強いため、酸素原子の周りにはわずかにマイナスの電荷が偏り、水素原子の周りにはわずかにプラスの電荷が偏ります。
このように、分子全体としては電気的に中性ですが、分子内にプラスとマイナスの電気的な偏りがある分子を「極性分子」と呼びます。水分子は代表的な極性分子であり、例えるなら小さな磁石のような性質を持っています。
溶ける物質はなぜ溶ける？
水に溶ける物質、例えば砂糖や塩も、その多くが電気的な偏りを持っていたり、あるいは水の中で電気的な性質を帯びる性質を持っています。
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塩（塩化ナトリウム NaCl）の場合: 塩はナトリウムイオン（Na⁺）と塩化物イオン（Cl⁻）が電気的な引力で結びついた「イオン結晶」です。水の中に入ると、水分子のプラスの偏り（水素原子側）がマイナスの塩化物イオンを引き付け、水分子のマイナスの偏り（酸素原子側）がプラスのナトリウムイオンを引き付けます。水分子はこれらのイオンをバラバラに取り囲み、結晶の構造を壊して水の中に散らばらせます。このイオンが水分子に取り囲まれる現象を「水和（すいわ）」と呼びます。
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砂糖（スクロース C₁₂H₂₂O₁₁）の場合: 砂糖の分子はイオンではありませんが、分子内に酸素原子と水素原子が結合した「水酸基（-OH）」を多く持っており、この部分に電気的な偏りがあります。水分子は砂糖分子のこれらの偏りのある部分と電気的な引力で引き合い、砂糖分子一つ一つを取り囲んでバラバラにすることで、砂糖は水の中に溶けていきます。
つまり、水に溶ける物質は、水分子が持つ電気的な偏り（極性）やイオンとの電気的な引力によって、水分子に囲まれて安定化し、大きな塊から個々の分子やイオンとしてバラバラになることができる性質を持っていると言えます。
溶けない物質はなぜ溶けない？
では、油や砂のように水に溶けない物質はどうでしょうか。
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油の場合: 一般的な油（例えばサラダ油）の分子は、炭素原子（C）と水素原子（H）が主に結合してできています。これらの原子間の共有結合には電気的な偏りがほとんどなく、分子全体としても電気的な偏りが非常に小さい「無極性分子」です。水分子のような極性分子は、同じく極性を持つ分子やイオンとは強く引き合いますが、無極性分子との間の電気的な引力は非常に弱いです。そのため、水分子は油分子を取り囲んでバラバラにするほどの力を発揮できません。むしろ、水分子同士が強く引き合い、油分子を排除しようとするように振る舞います。これが水と油が混ざり合わない理由です。
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砂（二酸化ケイ素 SiO₂）の場合: 砂の主成分である二酸化ケイ素は、ケイ素原子と酸素原子が非常に強く結びついた大きなネットワーク構造（結晶）を作っています。この結合は非常に強固で、水分子の力では容易に切断することができません。そのため、砂は水の中に入れても結晶のまま沈殿してしまい、溶けることはありません。
「似たもの同士は溶け合う」の法則
これらのことから、「水に溶けるか溶けないか」は、溶媒である水分子の性質と、溶質となる物質の分子やイオンの性質との間の「相性」で決まることがわかります。一般に、「似たもの同士は溶け合う」という経験則があります。
- 極性を持つ溶媒（水など）は、極性を持つ溶質（砂糖など）やイオン性の溶質（塩など）を溶かしやすい。
- 無極性を持つ溶媒（ヘキサンやベンゼンなど）は、無極性を持つ溶質（油、ワックスなど）を溶かしやすい。
まとめ
私たちの日常生活で見られる「ものが水に溶ける・溶けない」という現象は、水分子の極性という特別な性質と、溶かされる物質の電気的な性質との間の相互作用によって説明できます。水分子が持つ小さな磁石のような性質が、極性を持つ物質やイオンを引き離し、水和することで安定化させる一方、電気的な偏りを持たない無極性物質に対しては、水分子同士の強い結びつきが優先され、溶かすことが難しいのです。
このように、一見当たり前のように見える溶解という現象も、分子の世界を覗いてみると、そこには原子や分子が織りなす巧妙な相互作用が存在していることが分かります。身近な現象に隠された科学のフシギを少しでも感じていただけたら幸いです。