さまざまなものの質量を比べる基準として「分子量」という数値があります。
もちろん分子量が大きければ質量も大きく（重く）、分子量が小さければ質量も小さい（軽い）ということになります。
水と空気の分子量を比べてみると、水の分子量＝18に対して、空気の分子量＝28、ということで水より空気のほうが重くなります。

これでは、水は空気に浮かぶじゃん！　ということになってしまいますね。

分子量とは？

分子量とは、水素原子の重さを1として、その何倍にあたるかを示す数字です。
通常の水素では原子核に中性子が存在せず、陽子が1つだけの原子核の周りを電子1つがぐるぐると回っています。
陽子1＋電子1という最もシンプルな分子構造です。

陽子と中性子の質量は同じで1.67×10-24g 、電子の質量は陽子や中性子の1840分の1で無視できるレベルであると考えられています。
つまり水素原子は陽子1つ分の質量ということになり、原子量や分子量を表す際の基準となっています。

水の分子量、空気の分子量は？

水の化学式はH2O、水素１つに酸素２つが結びついた状態です。
酸素は原子番号8で陽子と中性子が8つずつ存在しているので、原子量は16。
水素は原子量1ですから、水の分子量は16＋1＋1＝18、となります。

空気には酸素や二酸化炭素をはじめいろいろな気体が混合しています。
中でも一番多いのが窒素（N2）で、約80％含まれています。

窒素の原子番号は7で陽子と中性子が7つずつ存在しているので、原子量は14。
気体の窒素は原子が2つ結びついた分子の状態（N2）なので、分子量は14＋14＝28。
空気の平均分子量は28となります。

どうして水は空気に浮かないの？

水の分子量18と空気の分子量28を比較すると、水の分子量のほうが小さくなります。
これだと水は空気に浮かんでしまいますが、実際には逆で、水のほうが重く、地表に溜まります。
これを解決するのが「クラスター理論」となります。

クラスター理論では、液体の水はH2Oという分子単独の状態では存在せず、水分子同士が水素結合した団子状の会合体からできている、と考えられます。

この会合体、または会合体がさらに固まりあった集合体のことをクラスターといいます。
水は常にクラスターの状態で存在しているので空気の分子量より重くなり、地表に落ちてくるんですね。

クラスターは小さいほうがいいの？

一般に、クラスターが小さいほど細胞内に浸透しやすく、味もまろやかに感じられると言われています。
しかしクラスターは、10のマイナス12乗秒という非常に早い速度で変化しています。
つまりクラスターの大きさは常に変化しているので、現時点では「一番小さい時の大きさでクラスター値を比較しよう」というのが一般的なクラスター値の考え方とされています。

以下に代表的なミネラルウォーターのクラスター値を示しておきます。

しかし実際には水のクラスターについて科学的根拠はまだ解明されておらず、専門家の間でも意見が分かれているのが現状のようです。
水を選ぶ際のひとつの目安として参考にする程度にしておけばよさそうですね。