氷は何故水に浮くの？シミュレーターで水/氷の密度差を理解しよう！[化学入門]

2022-05-08　 物質の状態

前回記事では、「固体」「液体」「気体」の各状態について解説しました。

今回はその状態間の比較をして「氷は何故水に浮くか？」をシミュレーターを用いて解説していきます！

おさらい：水分子の各状態

固体 = 水素結合等でガチガチに固まった状態

物質の温度が低い場合、分子は死んだように動かない状態になります。そうなると、水素結合やその他の力が強く働き、ガチガチに分子がくっついた状態になるんです。これこそが「固体」という状態なんです！

そして、この固体の状態は「分子が動いて出ていく力　＜　互いの分子の結合力」の条件下で形成されます。

物質の状態2: 液体 = 完全な拘束状態からは抜け出したが、まだ分子間の力で引き寄せあっている状態

次に液体です。氷は0度になると、溶けて水になりますよね。これは「分子が動いて出ていく力　＞　互いの分子の結合力」となり、その束縛から抜け出して動きだした状態と言えます！

ただ、完全に開放されたわけじゃないんです。水分子は互いに近いところをウロチョロと動き回れるようになりますが、互いの分子間で引き寄せ合う力が影響するので、完全に自由とはいえないような動きになります。

温度が高くなるほど、分子の動きが速くなっていき、その影響度合いが低くなってきます。

物質の状態3: 気体 = 互いの分子間の力から抜け出して、素早く動き回れる

次に気体です。水は100度になると、水蒸気に変わります。これは、「温度が高まって、水分子間の互いを結ぶ力から抜け出した状態」ともいえます。

液体状態では残っていた互いにくっつこうとする力から抜け出した、「自由な状態」になるわけです！完全ではないですが、力を受けない「等速運動」に近い動きになります！もちろん、温度が高まるとさらに高速に分子は動くようになります。

モノが浮くかどうか = 水の密度との比較でわかる！

物体がモノが浮くかどうかは、「物体が水と比べて密度が高いかどうか」でわかります。密度が水より少しでも高いと沈み、少しでも低ければ浮くんですね。

水の質量は簡単にいうと、1立方メートル(1m×1m×1m）で1トンです。1立方センチメートルだと1gですね。これより密度が高いかどうかを比較すれば分かるんです！

氷が浮くかどうか = 水と比べて体積が大きかったら浮き、小さかったら沈む！

ここで氷が浮くかどうかを考えてみます。水と氷は、同じ物質なので質量は一緒です。状態が変化したからといって、質量が変わることはありません。

ですので、「密度を比較 = 体積を比較」と同じことになります。体積が小さいほど、一定容量あたりの密度が大きくなるし、体積が大きかったら密度は小さくなるわけです！

実は… 氷は低温の水より体積が大きい！氷/水は温度が4度辺りで最大になる！

そして実は、「低温の水は氷より体積が大きくなる」んです！

前回の記事で解説したように、液体は固定よりも分子間の束縛がなくなって少し自由になった状態です。それならば、ガチガチに固まった固体である氷のほうが体積が小さそうですが、、、違うんですね。

実は、氷の場合は↓のようにキレイな形で結晶のような形を形成するんです。分子間の力の関係によって、この結晶の形が形成されるんですね。力関係の結果、バランスの良い形になるんです。

そして、この結晶の形は↓のように少し分子間で間があるような形なんですね。そのため、「分子間の力でキレイに並べられた形の大きさ　＞　自由に動ける状態での大きさ」という逆転関係が起きるのです！

ちなみに、水の密度は実は温度によって少々異なります。温度が高まるほど分子の動きが激しくなって、少しだけ大きくなって密度が減るんです。
しかし、氷が存在している辺りの低い温度では「水の体積　＞　氷の体積」という状態になるんです！ちなみに、水は4度で最大の体積になります。

シミュレーターで氷/水/水蒸気での体積の差のイメージを掴んでみよう！

実際に、「氷の体積　＞　水の体積」というイメージを掴むために、シミュレーターで確認してみましょう！今回は水蒸気の状態まで確認できるようにしています！（水蒸気のほうが圧倒的に体積は大きくなります）

まとめ：氷のほうが実は体積が小さい！その秘密は分子結晶構造に有り！

今回は氷が水に何故浮くかを解説してみました。
水の中でモノが浮くかどうかは密度の差であり、水に浮く氷は密度が低いということです。

その理由は↓のように氷が結晶構造になるからです。分子間の力の関係でこのような分子構造に氷はなるのですが、この構造が自由に動き回る水よりも若干体積的に大きくなるんです！だからこそ、密度が小さくなり、氷は水に浮くすのですね！

　
整理された氷の状態のほうが、乱雑な水より場所をとるというイメージですね。このように水は有り触れたモノなのですが、不思議な特性に満ち溢れているんです！
　

[関連記事] 化学結合

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2．固体/液体/気体

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5．「昇華」

6．「状態図」温度と気圧による状態変化