なぜ氷は水に浮く？

質問

中学１年です。理科の研究課題にあったのですが、なぜ水でできた氷が水に浮くのでしょうか。また、水に浮かない氷、または氷の浮かない液体は作れるのでしょうか。

回答No.8

eiectron · ベストアンサー

こんばんわ。
　理科とは、中学生に使いますが、高校大学になると物理や化学などと言う名に変えます。
　理科は、自然現象といって、自然の神様が作った物、宇宙や地球や地球上のあらゆる物質、例えば水、氷、桜の花、海、岩石、生き物（例　昆虫）を発見し、さらに電気装置を工夫して、人間や動物の目にはぜったい見えない小さい物質を見つけては、分子、原子と名前を付けている様に、その物質の発見し、性質、特徴を探ることを勉強するところです。
　先輩たちは、新人類９９９君より先に、自然の神様が地球に与えてくれた原子は９０種類である事を突き止めています。重さの軽い順に１番から紹介しますと、
水素、ヘリウム、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素、酸素、フッ素・・・・途中省略・・・最後が原子爆弾に使われたウラニューム。です。

　理科という勉強は、この神様が作っている物と、動かしている力と、動かし方の秘密をさぐっり、見つけ、まねして（むつかしい言葉で、応用してと言う）作って見よう。を勉強をする所です。
　新人類９９９君が中学生になるまでに、先輩たちは、神様が作った水が振舞う性質、くせ、特長を見つけてしまいました。それは、次のようになります。

　(1)水は、酸素原子の周りに２個の水素が磁石の力でくっついて、ちょうど、パンダの顔と耳そっくりの形をしている事を突き止めました。
　パンダの顔の形をした１個の水の粒のことを、▼水分子と言うことにしました。

　(2)水分子の両耳の水素の先っぽに、＋の電気をあらわしているし、顔の酸素のあごにあたる所に、ー電気を２つ現わしていて、水分子どうしが、▼この＋とー電気が吸い付く力で、何千何億個もの水分子が振動しながらくっつきあって、飲料水や海水になっている自然の神様の工夫も突き止めました。

　(3)耳の水素部分も、顔の酸素部分も人間の体の中の様に、休まず振動して動いています。回りの温度が高くなると、振動が激しくなり、１００℃になるとバラバラになり、水蒸気になります。　

　(4)水分子はパンダの顔のように凸凹している事と、＋とーの電気同志がくっつきあう所は出っ張った所ですから、くるくるあちこち動き回ってくっついてあるいても、何処にも隙間がないように見える飲料水も、分子同志の目で見ると▼どうしても５オングストロームほどの隙間ができてしまうのです。隙間の大きさは、回りの温度によって違ってきます。水分子の動き方で隙間が大きくなったり小さくなる水分子集団の特徴（神様が水に授けておいた温度に対する動作の秘密）もみつけました。
　４℃になったら、隙間が一番少なくなる様に密集して凸凹の隙間を埋めるように出入りして動く事。密集の度合いを、短くして密度という言葉を作りました。
　温度が下がっていくと、動きが鈍くなり凸凹の突端の電気どうしが、落ち着いてくっついていられるようになり（僕の想像）、０℃では隙間に水分子が出入りする動きがまったく無くなり、水の隙間が一番多く残ったまま水分子も動かなくなる様になる、神様が水集団に持たせた水の性質を突き止めました。
　私たちは、この水の状態を氷と名付けました。
　氷は隙間が一番多い状態ですから、溶けた水のどれよりも離れて集まっているので、混みぐあいが一番少ない、密度がいちばん小さい物質ということです。
密度（混みぐあい）がち小さいと言う事は、軽いと言う事です。
　同じ水どうしをくらべると、氷はどんな水よりも密度が小さく軽いから、氷は水に浮くわけです。
　氷の水分子密度が小さいと言う事は、同じ形の氷の中の水分子の数は、同じ形の水の水分子の数より少ない、と言うことですから、１個の水分子の重さに数を掛けて重さを計算すると、数が少ない（密度が小さい）氷の方が軽いことは誰でもわかります。

お礼

遅くなってゴメンナサイ。とても詳しい説明をして頂き、本当にありがとうございました。
　水や氷などの一つの物体でも、一つ一つの「分子」というピースでできているんですね。コップに隙間なく入っている水に、実は隙間があったというのは不思議な感じもしますが。
　密度がどうのこうのというのは学校で習いましたが、こういうメカニズムがあったとは知りませんでした。
　理科の授業でも、そういうのが少し分かると、とても楽しくなりますね。
　これからの理科がとても面白く感じられました。本当にありがとうございました。

回答No.9

nozomi500

こまかいことをいえば、＃３の
「比重＝質量(重さ)/体積」はまちがいで、
これは「密度」といいます。単位は「ｇ/ｃｍ3」など。
「比重」は「比」なので「単位」はつかない。
「水に対する比重」の数字は「密度」と一致します。
したがって＃２さんの「比重がかるい」でなく「比重がちいさい」というはず。

ちなみに、4℃の水が一番体積が小さくなりますが、最初に「1ｇ」を決めたのが「4℃の水1ｃｍ3の重さ（質量）」でした。

回答No.7

hot-tea

水を凍らせると氷になります。このとき体積が１０％ほど増えるので、水に浮きます。これは他の回答者と同じです。

水と氷は同じ物です。違うのは、水は０度以上で温かく、氷は０度以下で冷たいことです。このように同じ物質でも温度が変わることで状態が変わります。この場合、液体（水）が固体（氷）になるのですが、氷のように浮く状態になるのは水だけです。だから、水に浮かない氷は作れません。ただしｒｅｉ００さんの例のように特殊な条件がそろえばできますが、普通ではできません。

他の物質（油、アルコール、水銀、鉄など）は、液体より温度の低い固体になると体積が減ります。水でない物質の場合、液体の中に固体は沈みます。凍らせた油は、液体の油の中では沈みます。

回答No.6

rei00

氷が何故水に浮くかは回答がありますので，『水に浮かない氷、または氷の浮かない液体は作れるのでしょうか。』についてです。

　既に提案がありますが，「サラダ油」や「アルコール」では氷は沈みます。サラダ油だけではありませんが，氷が沈んでいる写真がありましたので挙げておきます。

　◎ 水と油のあいだに浮く氷
　　http://kakuda.ed.niigata-u.ac.jp/semi/98jikken/abura/jikken02.html
　　「実験結果」に写真があります。

　◎ 中央に浮く氷
　　http://homepage1.nifty.com/KEME/t_ice.html

　なお，作り方を変えると密度の異なる氷ができるらしく，約２万気圧で加圧すると氷 VI と呼ばれる状態の氷ができ，この氷は水に沈むそうです。なかなか良い写真が見付かりませんでしたが，氷の写真は下のページにあります（沈んでるかどうか分り難いですが）。

　◎ 沈む氷（あたたかい氷）！！（高圧氷）
　　http://www.ritsumei.ac.jp/se/rc/STUFF/TANIGUTI/LAB.html

参考URL：

http://homepage1.nifty.com/KEME/t_ice.html, http://www.ritsumei.ac.jp/se/rc/STUFF/TANIGUTI/LAB.html

回答No.5

First_Noel

水は凍ると，おおよそ１０％程度「体積」が増えます．（空気の入り込みは無関係です．）
体積が増えると，アルキメデスの原理より，浮力が大きくなります．
従って氷は，同じ「重さ」の水よりも１０％程度大きな浮力を受けるので，
周囲の水に対して「浮く」ことになります．

従って，水より軽い液体（比重０．９程度以下）ですと，氷は沈むでしょう．
食用油はどうかな，もしかしたら沈むかも．（調べたのですが，比重を見付けられませんでした．）

回答No.4

yoyoman

鉄はなぜ水に沈んで、発泡スチロールはなぜ浮くんでしょう？

水と比べると、鉄の密度は大きくて、発泡スチロールの密度は小さいからです。
密度は覚えてるかな、１立方センチあたりの質量だよね。

つまり、３つを同じ大きさ（体積）にして比べたとき、
水より重いものは沈むし、軽いものは浮くんですね。

さて、氷ですが、水と重さ（質量）は変わらないんだけど、
大きさはちょっとふくらんで、体積は増えてしまいます。

冷蔵庫で作る氷を思い出して、
水を水平に入れても、出来る氷は盛り上がるでしょう？
その分大きくなってるんですよ。
（空気が入るんではありません）

そうすると、
質量は同じでも、体積が大きくなるから、
氷の密度は水よりも小さくなるんです。
だから浮いちゃうんですよ。
氷を水に浮かべると、水面から少しでてますよね。
その分がふえた大きさ（体積）分です。

水よりも密度が小さい液体に氷を入れれば、
氷も沈むと思いますよ。

お礼

回答ありがとうございます。
空気が入るんじゃないんですか？
ではふくらんだ部分には何が入るんでしょう？

回答No.3

crazy_dog

こんばんは

まず、浮くということは、比重の大小で決まったと思います。
比重＝質量(重さ)/体積
通常は温度が高くなるほど体積が大きくなり、温度が低いほど体積は小さくなります。
しかし、水は温度を下げていくと途中までは同じように体積は小さくなっていきますが、約4℃で最も体積が小さくなり、その後は逆に体積が大きくなっていきます。さらに0℃で水が氷になると約1割も体積が大きくなるのです。水のこの性質により、同じ体積では氷のほうが軽くなるため、氷は水に浮くのではないでしょうか？
サラダ油の中に氷を入れると沈むんじゃないかな？

回答No.2

akubihime212

水より、比重が軽いからです。
比重ってわかりますか？

水と氷では、含まれている空気の量が、氷の方が多いのです。
水を凍らせると、体積が増えますよね。増えた分は、空気なんです。

空気が溶け込まないように、例えば、真空状態で凍らせるとかすれば、ほぼ水と同じ比重の氷ができるかも？

お礼

真空状態で凍らせるとかすれば、ほぼ水と同じ比重の氷ができる！？
面白いですね。
今度自由実験の日に是非やってみます。
ありがとうございました。

回答No.1

tan777tan

氷が水に浮くのは氷の比重（単純には単位体積あたりの重さと考えていいと思います）が水より小さいからなのです。
また、以降の文章が分からないのです。氷を水の固体になったものと考えておられるのか、液体が固体になったものと考えておられるのか、意味が良く分かりません。（質問の目的がかもしれない）
それは最後の「または」の文章があるからなのですが、氷の浮かない液体とすると有機溶媒で結構あるのでは？