氷はもともと水なのに、氷が水に浮かぶのはなぜ?

氷はもともと水なのに、氷が水に浮かぶのはなぜ?

グラスに入れた氷が飲み物の中で浮かんでいるのは、当たり前すぎて気にも留めない事柄です。しかし、氷は水でできているのに水に入れると浮かぶというのは考えてみればおかしな状態です。水のこの性質は、実は自然界の他の物質と比べても変わっています。その理由は、水分子の独特の形にあるのです。氷はどうして浮かぶことができるのかを説明します。

氷になると体積は増える?コップに水を入れて凍らせると… ?

氷はもともと水なのに、氷が水に浮かぶのはなぜ?
ガラスのコップに水を入れて凍らせると、割れてしまうことがあります。ペットボトルに入れて凍らせると、容器がふくらみます。これは、水が凍ったことで体積が増えたからです。同じ重さなのに大きさが違うということは、その物質の密度が変わっているのです。凍って体積が増えた分、氷の密度は水より低くなります。
氷を水に入れると浮かぶのはこのためです。物は水に入ると、下から押し上げられる力を受けます。この力は「浮力」といって、水に入って押しのけた体積分の水の重さが、浮力の大きさとなるのです。同じ体積の氷と水では水の方が重いので、その重さの差の分、氷は水に浮きます。しかし、密度が変わったといっても差は少しです。そのため、氷は浮かんでもわずかにしか水の表面に頭が出ないのです。
凍ると密度が低くなる水は、自然界の中では珍しい物質です。凍るというのは、物質を構成している分子が動かなくなることです。逆に、温度が高くなっている時は、分子は激しく動き回っています。水の密度が変わるのは水分子が独特のかたちをしているためです。

氷になると重さが水より軽くなるのはなぜ?

分子は冷えて動かなくなる場合に、規則正しく並ぶ性質を持っています。そうすると、動いていた時の隙間がなくなるので、凍ると密度が高くなって重くなる物質の方が多いのです。
水分子は、酸素原子1つと水素原子2つでできています。原子の周りにはプラスやマイナスの電子が回っていて、それを介して原子は結びついて分子となります。酸素原子と水素原子が持っている電子の数はかなり違い、酸素原子は8個、水素原子は1個です。そのため、結びつく時に電子的な偏りが発生します。そこで水分子は必ず「く」の字のかたちに原子がくっついてできあがるのです。
水が凍り始めて分子が規則正しく並ぼうとすると、「く」の字同士がくっつき合って、「クラスター構造」と呼ばれる大きな隙間があるかたまりになります。これが、水が氷になると密度が低くなる仕組みです。
氷になってクラスター構造ができあがると密度は低くなりますが、できあがる少し前に、クラスター構造と動く水分子が同居している、水の密度が最も高くなっている状態があります。それは水温が4度の時です。クラスター構造が少なく、水分子があまり動かないので隙間がそれほどなく、水の密度が高くなる状態になるのです。

水に沈む氷を作るのは可能?

氷はもともと水なのに、氷が水に浮かぶのはなぜ?
水に沈む氷というものは存在しないのでしょうか。普通に水道から出る水を凍らせるのでは、作ることができません。しかし、「重水」を使えばできます。
重水とは、特別に重たくなっている水素分子でできている水分子の水のことです。水素原子は原子1つと電子1つが1セットになっているのですが、そこにさらに中性子が加わって1セットになっているものがあるのです。この中性子入りの水素原子と酸素原子がくっついて水分子になると、中性子の分だけ重い水ができあがります。これを凍らせると、その氷は同じ体積の水より重くなるので、沈む氷ができあがるのです。
重水は、普通の水の中にごくわずかですが含まれていることがあります。普通の水とは沸点など化学的な性質が少し違うので、それを利用してより分けることはできなくはありません。しかし、一般家庭で行うのはなかなか難しいでしょう。
水以外のものを入れることで、氷の重さを増やして沈む氷を作るという方法もあります。濃い砂糖水を作ってそれを氷にすると、砂糖が足された分が重くなるので、同じ体積の水の浮力に勝って沈む氷になるのです。

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