水を氷にすると、膨らむのはナゼ?

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担当の林です。今日は水の不思議な現象について、お話ししたいと思います。
こういった現象を見られた事は無いでしょうか?

  1. 水を凍らせて氷にすると、表面が膨らんだ。
  2. 缶ジュースを凍らせると、缶が膨らんだ

不思議な現象です。これは一体ナゼなのでしょうか?

これは実は水同士が仲良しなので、起こる現象なのです。ただ、現象の説明をする前に、まずは「分子の運動」という事について説明する必要がありそうです。

水

1.分子運動とは

世の中に存在する全ての物質は、分子、という小さな粒子から出来ていて、しかも小さく動いています。この小さな動きの事を分子運動といいます。この分子運動は、温度が高くなればなるほど、激しく動き、低い時程、おとなしくなります。つまり、水蒸気→水→氷となるにつれて、水分子の動きは、小さくなるのです。

それとは別に、分子には、「分子同士が引き合う力」というものがあります。温度が高い時は、この力よりも、分子運動の方が激しいのですが、温度が低くなり、分子の運動が小さくなると、元々働いている「分子同士の弱い引力」が影響を持つ様になり、従って分子同士が体を引き寄せ合うようになり、そして体積は小さくなります。

2.水同士が仲良し?

つまり、全ての液体は、この弱い引力により、個体になると、体積は小さくなるはずなのです。ところが、水だけは例外で、体積が大きくなってしまうのです。これはなぜかと言うと、水は、先程お話しした「分子同士の弱い引力」よりももっと強い力で、水同士で「独特な」手の結び方をしてしまうからなのです。そして、その手の結び方も特徴的です。結束は固いのですが、ある程度隙間が出来る様に、手を結び合ってしまうのです。

水から氷になると、この現象が起こってしまう為に、氷になると、体積が増えてしまうのです。実際には4つの水分子同士で手をつなぎ合っています。これを水素結合と言います。

3.重さのお話

上記で述べた様に、気体→液体→個体となるにつれて、分子同士は密着しあうので、温度が下がるにつれて、体積が同じであれば重さは大きくなるのが一般的です。ところが、水の場合は水素結合のせいで、ある程度の温度までは重くなりますが、その温度以下になると、軽くなってきます。

では何度の時が一番重いの?というと、凄く中途半端で意外なのですが、それは4度なのです。もし4度になる場面に出くわしたら、

あ、今最も水が重い時だな
と思い出してみるのも面白いと思います。

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余談ですが、文中で出てきた分子運動はブラウン運動と呼ばれており、これは意外にも株や債券、為替の計算など、証券会社や銀行などの金融機関にも幅広く使用されています。

氷の膨らみ、という日常生活でよく見る場面の背景を出来るだけ面白く思って頂ける様に記事にしましたが、楽しんで頂ければ幸いです。

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