水が凍ると、その分子は結晶構造に配列され、それによって定義された形状が得られます。この結晶構造は密度が低く、構造内の個々の分子間に隙間があるため、全体の体積が増加し、水が「膨張」します。
ざっと見ただけでは、「水が凍ると膨張する」という言葉は意味をなさないかもしれません。液体の水は明確な形や形を持たないため、より多くのスペースを占めるように見えるからです。また、水が凍ると、「膨張」とは正反対の明確な形になります。
したがって、記事のタイトルで提起された質問を分析することから始めましょう.
氷は水に比べて体積が大きいですか? (写真提供:ジョージ・ホーダン / Public Domain Pictures)
水は凍ると本当に膨張しますか?
はい、水は凍ると膨張します。この文の「拡張」という単語は、ボリュームの増加を示していることに注意してください。 .つまり、技術的に適切な言い方をすると、水が凍ると体積が増えるということです。
この記述は正確であり、簡単な実験でその正当性をテストできます。水の温度を下げると、水がますます「無傷」になるにつれて水の体積が減少することに気付くでしょう。
次の表を参照して、水が凍ったときにどれだけ膨張するかを確認してください:
温度が摂氏 4 度を下回ると、水の量が増え始めることに注意してください。
それでは、水の体積が増加する理由、または水が凍って固体になると膨張する理由について話しましょう。
水が凍ると体積が増えるのはなぜですか?
この現象は、水の化学組成に関係しています。ご覧のとおり、水の分子は 2 つの水素原子と 1 つの酸素原子でできています。これらの原子の配置は非常にユニークで、水の高い熱容量、表面張力、接着力、凝集力などの特別な特性を水に与えます。
水分子の化学構造。
水分子のこの配置は、水素原子の近くに正に帯電した側と、酸素原子の近くに負に帯電した側を作成します。
2 つの水分子が接近すると、一方の分子のプラス側がもう一方の分子のマイナス側にくっつきます。これが大規模に (つまり、数百万の水分子で) 発生すると、水の化学的性質の一部を説明する独自の構造が得られます。
液体の状態では、水分子は自由に動き、その過程で水素結合を形成したり破壊したりできます。これは、水 (またはあらゆる液体) の不規則な形状を説明する特性です。一部の水分子はしばしば互いの上に「積み重なって」おり、これが氷と比較して水の密度が高いことを説明しています。
液体の水分子の配置。
しかし、温度が下がり、水が冷えると、分子間力が増加し、水分子の動きの自由度が低下し、(温度の低下に伴い) エネルギーが低下します。
水が凝固点に達すると、その分子の動きはごくわずかになり、六面格子に配置されたより明確な形状になります。
以下は、氷中の結晶形の水分子の配置を単純化しすぎたバージョンです:
固体の水分子の配置。
この水分子の結晶配置は、より強い分子間力による分子の集まり (液体の場合のように) を防ぐため、密度が低くなります。
この分子の間隔とその位置に固定された状態を維持することで、水の体積が増加します。これが、水が凍ると膨張すると言われる理由です。
氷が水に浮く理由
水は氷になると膨張しますが、体積は物質の密度に反比例するため、氷は水より密度が低くなります。このため、液体よりも重く見える物質である氷は、水に浮きます。
水が凍ったときに膨張しなければ、氷は水よりも密度が高くなります。地球の生態系への影響を考えてみてください！湖、海、海の表面の氷が沈み、これらの水域が下から上に徐々に満たされます。湖や海が凍ると、地球上に水生生物は存在しなくなります。
その観点からすると、水が固体で膨張することは非常に良いことです!
