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水は固体になると・・・
中学のときの理科の授業でのこと。先生が言いました。 「物質には三つの状態がある。固体、液体、気体。固体では分子同士が固く結びついている。気体では分子が離れて自由に動いている。だから例えば水では、気体のとき体積が大きく、固体になると体積が小さくなる」 生徒皆でブーイング！ 「違うよ！ 氷になったら膨らむよ！」「ヤクルトなんて凍らせたらフタより盛り上がっちゃうもん！」先生は黙りこんじゃいました。 さて、何故（例えば）水は、凍らせると体積が大きくなるのでしょうか。どなたか説明してください。
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皆さんの回答で正解なのですが、そもそも、何故水が特殊に固体（氷）の密度が液体（水）より小さいのか。（０℃で氷は水に浮かぶ）他の物質は、原則的に、固体の方が密度が大きい。 分子構造に秘密があります。酸素と水素の電気陰性度の違いによる（O＞H）水素－酸素間で共有される電子対が酸素原子側に引き寄せられ、酸素原子はマイナスの電荷を、水素原子はプラスの電荷を分子内で持つことになります。これを極性分子といいます。隣接する水分子では酸素原子（－）に他の水分子の水素原子（＋）が静電気的に引き寄せられます。これで、できる結合を水素結合といいます。固体の水はこの水素原子－酸素原子－水素原子のなす角度が104.5度で、水素結合でしいかり、立方晶系の結晶となります。ちょうど、正六角形（正四面体）の形となるのです。氷が溶解し始めると、結晶構造の一部が壊れ、（一部は残っている）壊れた分子が残ってる構造の中に入り込みます。結晶（氷）分子の位置が決まっていて、隙間が空いているが、溶けだしたときは、この隙間に分子が入り込むことが出来る。と、説明します。会合した水分子（H2O)n＝氷の結晶の一部の骨格、と二量体(H2O)2とモノマーの水分子の共存状態が実際です。が分かりにくいので前者の説明でも可。他の物質では、結晶構造、極性の強さの違いにより、このようにはなりません。この状態で、密度が最大になるのが、１気圧で、3.98℃のき0.99997g/cm3 です。
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- siegmund
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回答が出そろっていますので，ちょっとだけ補足． 理科の授業で先生が言われたことは至極もっともです． ただし，水はまずかったですね． 水は意外と特殊な物質どころではなくて，極めて特殊な物質です． 水が固体になると体積が増える(⇔氷が水に浮く)は， 我々が日常目にしている，， 他の物質では液体と固体の共存状態を目にする機会がほとんどない， の理由から当たり前のこととして受け取られますが， 本当はびっくり仰天，何メートルも飛び上がる，というほど不思議な現象です． なお，氷になると体積が増えることと直接関係した現象として， 氷に圧力を掛けると水になる現象が知られています． 圧力掛ければ固体になりやすそうな気がする(至極健全です)のですが， 水では逆になっています．
お礼
・・・うーむ・・・。そういえばそうですねぇ。他の物質で液体と固体の共存状態・・・見たことがないかも知れません。 で、何故氷に圧力を掛けると水に・・・？ 気圧と関係あるんでしょうか？ いや、なんか違うな・・・。また新たに質問します。 みなさん、丁寧な回答、本当にありがとうございました。
- DESTINY
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答えは#1～#3で出ています。が、話をややこしくするのと、かわいそうな先生をちょっとだけ弁護するために。 水は極低温では様々な非結晶質の固体を形成します。 マイナス173℃で水蒸気を凝集させると非晶質の固体ができ、これをさらに圧縮・冷却すれば高密度非晶質固体ができます。で、これは理科の先生がおっしゃるがごとく、水よりも重いのです。 地球上ではこのような「固体」は実験的にしか作り出せません。しかし、宇宙空間は極低温です。ということは、宇宙全体では、水においても液体よりは固体が重いのが普通なのでしょう。理科の先生は、地球人ではなくて宇宙人だったのです。 参考URLの「さまざまな水」をご覧ください。 100Kとは絶対温度の表記法です。絶対零度=0K=-273.15℃ で、100Kはマイナス173℃になります。
お礼
そうか！ それで漢字知らないし、脚もあんなに短かったんですね。 先生の正体まで教えてくださって、ありがとうございました。
- unyo
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水と氷の分子構造の様子がよく解るアニメがあります。 参考にして下さい。
お礼
とても判りやすいですね。固体（氷）の方が分子の間スケスケじゃないですか。ありがとうございました。
- myeyesonly
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それは凍った時の水の分子の並び方にあります。 ぎっしり詰め込んじゃえば、確かに元の水より体積は減るんですけど、水は分子の形がくの字形をしていて、その角度は１０４度だそうです。真ん中が酸素で、両端に水素がついてます。 これが、真ん中の酸素が他の分子の水素と引き合い、６角形に並びます。そして、その六角形の中はからっぽになるので、体積が増えてしまいます。 ↓参考にしてください。図面があると良かったんだけど。
お礼
なるほど。隙間ができてしまうんですね。そのせいだったんですか。 URLも書いてくださって、ありがとうございました。このHP、おもしろいですね。皆さんも見てみてください。
- issy
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とりあえずということで・・・。 凍ると体積が大きくなるのは水の特性です。 ちなみに、４℃前後で最も体積は小さくなります。（密度が大きくなる） そのメカニズムはわすれてしまったので、分かり次第お知らせします。 それか、誰か知っている人は必ずいると思いますので、その人にお任せします。
お礼
ありがとうございます。そうですか、水の特性ですか。じゃあ何故４℃で・・・？気になるううぅっ！
お礼
この文章を頭の中で映像化してみて、納得できました。 身近にあって、我々生物には欠かせない水ですが、以外と特殊な物質だったんですね。うーむなかなか奥が深い・・・。 詳しい説明、ありがとうございました。 私は下の方への「お礼」で、先生に対して失礼なことを書いてしまいました。中学のときのI先生、ごめんなさい。でもあなたが漢字を知らないのは事実でしたよね。・・・いやいや、とにかく、失礼いたしました。