水の特異性。

質問

なんで水って物理法則が適用できないの？
人類にとって、生物にとっていちばん身近であるはずの水が
なんで凍ると体積が増えるの？
固体になったら体積は減るんじゃなかったの？

なんで冬に水道管が凍って割れるの？
金属の水道管を割ってでも固体になる力はあるの？

人類が住んでいる地球が宇宙の真ん中ではなくてただの惑星だったように、
地球では当然の水に関しても宇宙では真ん中ではなくて特異な存在なんでしょうか？

回答No.7

sat000 · ベストアンサー

> 水が凍る時に金属や塩ビでできた水道管を割るほどの力があるのか？
発生しうると思います。凍り方によるんですけどね。
急速に凍ると、等方的に固化膨張しますが、一方向凝固的に固まると、膨張を凝固方向に逃がしやすくなります。確か、10 %くらい体積膨張したのではと思いますので、等方的に近い凝固の場合は、圧力に換算するととんでもない高い圧力が管にかかります。金属管は耐える気もしますが、塩ビは割れやすいのではと思います。ただ、金属も何度も高い内圧を受け続けると、金属疲労するので、そのうち割れる可能性もあります。

お礼

ありがとうございます。

回答No.6

hydrophobic

(1)水は液体の中で高い誘電率をもつから、イオン化合物にとっては優れた溶媒になる。
(2)水素結合のために水は高い熱容量をもつ。水溶液の温度を1K上昇させるのに大量の熱が必要である。
大きな温度上昇を伴わず大量の熱を吸収する水の能力は、地球の気候に影響を与える。湖や海は太陽の放射を吸収したり大量の熱を放出しても温度変化は小さい。海に近いところの気候は内陸の気候に比べて穏やか。
(3)水素結合による強い分子間相互作用のために水は高い表面張力をもつ。

回答No.5

hydrophobic

水は液体状態より固体状態のほうが比重が軽い
固体状態ではO原子の2つの非共有電子対が他の分子のH原子と水素結合を形成した、隙間の多い3次元構造をしている。
温度が上昇すると分子の熱運動のために水素結合が部分的に切れて、自由になったH2O分子が隙間の間に入り込んでより密な構造を取るから、液体状態での密度が高くなる。

回答No.4

tetsumyi

確かに水は特異な物質です。
普通の分子は左右対称となるのですが、水分子は簡単な構造ですが非対称でこれが水の特異性の原因となります。
液体の場合は分子が方向性を持ち電気を帯びているので、密度が高くなり全ての物質の中で最も比熱が大きいです。
http://www.con-pro.net/readings/water/doc0002.html
これが温度が下がって氷となる時は、分子同士が結合する為に一定の距離が保たれることで体積が増えます。
これで水道管が割れることになりますが、この力はとんでもなく大きい。
例えば水が水蒸気となる時はものすごい力を出すので火力、原子力発電は全て水の蒸気圧を使うという原理です。
水が氷となる場合も同様に大きな力が発生します。
何故かと言うとこの力は分子運動という熱が持つ力であり、これは分子の力が加算された結果現れるのですごい力となります。

お礼

なるほど。水蒸気圧を考えれば大きいですね。

回答No.3

sat000

> 水って物理法則が適用できないの？
いえ、物理に従っていますよ。

> 固体になったら体積は減るんじゃなかったの？
そうとは限りません。金属は確かに固化収縮しますが、例えば化合物半導体の多くは固化膨張します。水も4℃あたりで密度が最大になるので、0℃で氷になると密度が小さく、つまり膨張します。

> 水道管が凍って割れるの？
水道管が凍るのではなく、水道管の中に入っている水が凍ります。
その際、氷の体積が水の体積よりも増えるので、水道管に圧力がかかり(応力が発生し)、条件によっては水道管が耐えられずに割れます。

> 金属の水道管を割ってでも固体になる力はあるの？
ちょっと質問の意図を読み取れませんが、静止した水は0℃になれば凍ることが多いので(凍らずに過冷する場合もあるかも)、凍った水、つまり氷が水道管を割る場合があります。

> 水に関しても宇宙では真ん中ではなくて特異な存在
私は専門外ですが、宇宙では水素と酸素は豊富に存在したと思います。従って水分子も大量に存在すると思います。水分子が凝集して液体の水の形態をとるかどうかは条件によります。その条件とは惑星がハビタブルゾーンに存在するかどうかです。近年、ハビタブルゾーンに存在する岩石系の系外惑星がたくさん発見されていますから、液体の水の形態は宇宙でそれほど珍しいものでは無いと考えるべきかと思います。水の固体である氷を含めると結構ありふれています。

補足

＞> 金属の水道管を割ってでも固体になる力はあるの？
＞ちょっと質問の意図を読み取れませんが

水が凍る時に金属や塩ビでできた水道管を割るほどの力があるのか？
という意味です。水が凍っても割れないような素材はありますか？
そのような素材があるとして水は凍ることをあきらめるか
中でひっそりと凍っているでしょうか？

回答No.2

ichikawa2017

>なんで水って物理法則が適用できないの？
なぜと言われてもそのような特性を持ったものが水と呼ばれる物質です。
物理法則などというものは人間が勝手に考え出したたものです。
この人間が勝手に考え出した法則なるものに適応しないのが水という物質の特性です。

＞人類にとって、生物にとっていちばん身近であるはずの水が
氷の体積が液体の水よりも大きいことと人類や生物にとって身近であるかどうかなどと言うこととは無関係です。

＞なんで凍ると体積が増えるの？
下記のサイトに詳しく説明されています
参考
水を氷にすると、膨らむのはナゼ？
mgkitchen.jp/blog/?p=783

要約しますと水や凍りを構成している水素と酸素が化合した分子どうしの距離が氷の方が離れていて水の方が近いために氷の方が空間が大きくなります。同じ重さえあれば氷の方が体積が大きくなります。

＞なんで冬に水道管が凍って割れるの？
水の周りに何があろうとも温度が下がれば氷という状態になります。
水道管が水が氷になる際に周りから押さえつけていますが、水道管がその力に負けて直径が大きくなります。
直径が大きくなるには水道管は膨らむ必要がありますが膨らむには直径に対して直角方向に延びる必要があります。
伸びきれなければ切れてしまいます。
伸びきれずに切れた状態を割れたと言っています。

人類はこのような現象を逆に利用していたことがあります。
エジプトのピラミッドを作る際に巨大な石を割るためにミシン目のように巨岩に穴を空けて水を入れておきました。
夜間に気温が下がって水が凍るさいに岩を押し破ります。
穴がミシン目のようにありますので一つ一つの穴の周りにできた亀裂が繋がり岩が割れます。

＞水に関しても宇宙では真ん中ではなくて特異な存在なんでしょうか？
ご指摘のように特異な存在です。

お礼

ありがとうございます。

回答No.1

copemaru

地球の重力の下で水は固体（氷）になると体積が増大し、密度が下がります。
だからこそ氷は浮いて太陽の熱で融かされ、水が循環して生物が生きられる命溢れる母なる惑星になりました。
もし氷が沈んでしまっていたら、生命は誕生できなかった事でしょう。

補足

なら他の液体はなぜ固体になったら密度が上がるのでしょうか？