氷はなぜ水に浮く？水の特別な性質
氷が水に浮くのは、水が凍るときに体積が約9パーセント増えるからです。同じ重さでかさが大きくなるので、氷の密度は水の約90パーセントにとどまります。
だから氷は沈まず、全体の1割ほどを水面から出して浮かびます。この「凍ると膨らむ」という性質は、物質としてはかなり珍しいものです。
ふつうの物質は固まると縮む
たいていの物質は、液体から固体になると粒がぎゅっと詰まり、体積が小さくなります。同じ重さでかさが減れば、密度は上がります。
だから固体は自分の液体に沈むのがふつうです。溶かしたろうそくのろうを固めると、真ん中がへこむことがありますね。あれも、固まるときに縮んだ跡です。
すき間だらけの骨組みができる
水の分子は、酸素1個に水素2個が「へ」の字についた形です。分子どうしは水素結合という弱い力で引き合い、氷の中では1個の分子が上下左右の4個と手をつなぎます。
正四面体を積み上げたような形になり、内部には六角形のトンネルが走ります。このすき間の分だけ、氷は水より場所を取るのです。
水素結合が生まれるのは、酸素が電子を強く引きつけるからです。そのぶん酸素側はマイナス、水素側はプラスに電気が偏ります。
プラスとマイナスが引き合うので、分子どうしが決まった向きで手をつなぐわけです。液体の水では分子が自由に動きまわり、結びつく相手を絶えず取り替えています。
冷やされて動きが鈍ると、分子はいちばん落ち着く向きで整列し、すき間の多い骨組みができあがります。
氷が溶けるときは逆のことが起きます。水素結合の一部が切れて骨組みが崩れ、六角形のトンネルが埋まっていきます。
だから同じ量の水でも、溶けたほうがかさは小さくなります。
いちばん重い水は0℃ではなく4℃
水の密度が最大になるのは、凍る直前ではありません。約4℃です。
氷点近くまで冷えた水より、4℃の水のほうが重いのです。そのため湖では、冷えすぎた水が底まで沈み切らず、表面のほうから凍っていきます。
深いところには4℃前後の水がたまり、そこは凍りません。氷が浮くことと、4℃でいちばん重くなること。
この2つがそろってはじめて、湖は「上だけ凍る」構造になります。
この性質が湖の生き物を守る
もし氷が沈む物質だったら、湖は底から凍り上がっていきます。日光が届きにくい底の氷は夏になっても解け残り、湖は少しずつ氷の塊になっていくでしょう。
実際には氷が表面に浮いて蓋になり、冷たい外気をさえぎります。その下の水は液体のまま残るので、魚も水草も冬を越せます。
実は、水だけではない
凍ると膨らむのは水の専売特許ではありません。金属のガリウムは固まるときに体積が3.1パーセント増えます。
ケイ素・ゲルマニウム・ビスマスも、固体のほうが液体より軽くなる仲間です。いずれもすき間の多い結晶をつくる点が、水と共通しています。
とはいえ、この性質を毎日目にできる物質は水くらいのもの。コップの氷は、その珍しさを何度でも見せてくれています。
次に飲み物に氷を浮かべたら、水面から出ているのが全体の1割だけだと確かめてみてください。残りの9割は、いつも水の中にあります。
参考にした資料
