氷はどうして水に浮かぶの?水の不思議

2018年9月8日身の回りの科学

お店でお水をもらった時、氷が浮いていますよね。

そもそも氷が入っていない場合もありますが、、、

また、上の写真のように氷河は海の上に浮いています。

氷と水は同じ水分子でできているにも関わらず、氷は必ず水に浮きます。

不思議に思いませんか?

どうして氷は水に浮くのでしょうか。

答えは氷が水よりも密度が低く、軽いからです。

同じ水分子からできているのに、なぜその差はうまれるのだろうか。

今回は氷が水に浮かぶ理由を説明していこうと思います。

1.浮かぶということ

空っぽのペットボトルを水に沈めようとしても、沈まずに浮いてくるはずです。

なぜなら、ペットボトルの中には空気が入っており、空気は水よりもはるかに軽いからですよね。

また、体が水に浮くのも同じ理由であり、体の方が水よりも軽いから浮くわけです。

詳しくは⇩で説明されていますので、併せて読んでみて下さい。

どうして海は川や湖よりも浮きやすいの?比重とは?

そして、浮くのは水の中だけではありません。

空気中でも同じことが起きます。

ヘリウムの入った風船は空気中をぷかぷかと浮かんでいきますよね。

これは、空気よりもヘリウムが軽いから浮かぶということです。

詳しくは⇩で説明されていますので、こちらも併せて読んでみて下さい。

ヘリウムガスの風船はなぜ飛んでいくのか?なんで吸うと声が変わるの?

では、氷に戻りましょう。

ペットボトルや人間の体、そしてヘリウムと同じように、浮かぶということは、氷は水よりも軽いということになりますよね!

では、なぜ同じ水分子の集まりにも関わらず、その違いが生まれるのでしょうか?

2.氷が水よりも軽いのはなぜ?

水と氷が同じ水分子からできているにも関わらず、どうしてこのような違いがうまれるのでしょうか?

それは、氷の水分子たちの結合様式に秘密があるのです。

まず、水分子は以下の図の様にくの字に折れ曲がった構造をしていますよね。

液体の状態ではきっちりと並んでいるわけでなく、回転したり、揺れ動いたりしている状態です。

しかし、エネルギーが少なくなる、つまり温度が下がってくると、水分子たちはおとなしくなり、集まろうとします。

そして、0℃に差し掛かると、水分子たちは水素結合によって繋がり、結晶構造を形成するのです。

それこそが氷です。

その氷の状態では、水分子が⇩のように水素結合によって互いが繋がっています。

※白:水素原子 赤:酸素原子 点線:水素結合  

 水分子たちが綺麗に並んでいますよね。

また、青色で示した部分⇩は正四面体構造であり、このような構造がたくさん連なっているのです。

なんだか隙間が多くないですか?

氷はこのような結晶構造を取るため、隙間が多く、水よりも密度が低くなるのです。

つまり、水よりも軽くなり、浮くというわけですね。

また、水を凍らせた時に体積はどうなるでしょうか?

体積は増えると思います。

ペットボトルに水をパンパンに入れて凍らせると破裂してしまいますよね。

それは、水分子がこのような隙間を多く持った構造になるため、体積が増えるのです。

水を凍らせると体積が増える理由と、氷が水に浮かぶ理由は同じ何ですね!

3.さいごに

もし、氷の方が密度が高く、水に沈んでしまうとどうなるでしょうか?

湖が凍ったら中にいる魚たちは氷に押しつぶされて大変なことになりますよね。

氷が水よりも軽くて良かった。

また、氷の構造を見て、気づいた方がおられるかもしれません。

その構造には6角形が含まれていますよね!

これは重要なポイントで、雪の結晶が必ず六角形であるということにも繋がるのです。

雪の結晶についてのお話は後日、したいと思います。

雪の結晶の記事⇩

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