なぜ水は４度が一番小さいのか

水の体積は４度が一番小さいですよね。
なぜですか？
進学校理系高校生にわかる程度の説明でお願いします

No.1 ベストアンサー 回答者： drmuraberg 回答日時： 2009/06/12 20:18

水の性質を表す２つのキーワードは、１）水分子の分子運動と２）水分子間の水素結合です。

水分子は水素原子２個と酸素原子１個が共有結合でしっかりと結びついてできています。

水の中の沢山の水分子同士は水素結合で結びついています。
水分子はプラス極とマイナス極を持つ双極子ですが、水分子のマイナス側つまり酸素分子が
別の分子のプラス側つまり水素分子と結合します。
これが繰り返され水分子同士がつながります。
水素結合の数の増加と共に体積は増加します。
この水素結合が水全体に渡りできあがると氷になります。

温度を下げるとまず水の体積が収縮するのは、温度低下に従い水の分子運動が減少するためです。
一方、温度が下がるにつれて水素結合の数は増え体積が膨張する傾向を示します。

この２つの効果が４℃を境に反転し、水の体積は減少から増加に転じます。

No.3 回答者： htms42 回答日時： 2009/06/13 11:29

平面で説明するのは難しいようですね。

＃２の説明の図では
水素結合が切れることによって隙間が広がっている（密度が小さくなっている）ということになってしまいます。
水素結合を表す線には必ず水素原子が付随しています。線がなくなるということは水素原子が抜け出したということになります。結晶内部から水素原子が飛び出してしまうということが液体の水になるというところで起こるとは考えにくいことです。「融ける」ということが起こればまず氷の結晶が小さな断片に変化しているはずです。断片の外に現れている部分ではかなりの変化が起こっているでしょうが内部の変化が目立って起こるということではないだろうと考えます。
説明したいことは密度が大きくなるということですから説明は完成していないということになります。
水素結合が切れて生じた破片が構造の隙間の間に入り込むということがなければ密度は大きくなりません。結合が切れた断片が出来れば体積は大きくなります。切れたことによって生じた隙間に原子が入っても元に戻るだけのことです。初めあったよりもよりもたくさんの原子が入らなければ密度は大きくなりません。
そのためにはもともとの構造の中に破片が入り込むような隙間があると考える方がいいのではないでしょうか。
平面だと六角形を基本にした構造でも四角形を基本にした構造でもピッタリとした隙間のない構造になってしまいます。初めにあったよりも多くの分子を詰め込むということは出来ません。

水素結合で４方向に結合が生じている構造は正４面体を基本にした構造になります。これはダイヤモンドの構造と同じになります。ダイヤモンド構造は隙間の大きい構造です。ちょっとややこしいですが３次元でダイヤモンド構造を考えるのが結局は説明としては楽なように思います。
ダイヤモンド構造の図は教科書にも多分載っているだろうと思います。検索しても出てきます。
立方格子で単位格子に８個の炭素電子が含まれています。
単位立方格子の一辺の長さをａとします。一辺の長さが（ａ／２）の立方体が８個含まれていますから小さい立方体１つに原子１つという割合です。ビー球のような球を立方体に詰めていくのであればこうなります（これだと１辺の長さがａ／２の単純立方格子になってしまいます）。しかし、ダイヤモンドでは原子と原子の間に出来る結合の方向に正４面体の頂点の方向という制限がついています。８個の小さい立方体の４つには炭素原子２つが所属し、残りの４つは空になっています。詰まり方がアンバランスなのです。隙間の大きい構造というのはここから出てくることです。
氷の結晶でも同じだと考えられます。
氷が融けて断片に分かれただけであれば体積は増えます。
（融けても一度にＨ２Ｏになってしまうのではなくて氷の構造を残した
断片になっています。温度を上げるとこの塊がどんどん小さくなっていきます。）
ところがどの断片にもこの基本構造は残っているのですから隙間の多い構造（空の小さい立方体が半分含まれているという構造）がむき出しになります。その空間に他の断片の端が入り込むことができるようになります。

No.2 回答者： DexMachina 回答日時： 2009/06/12 22:30

結晶の氷よりも、それよりやや温度が高い水の方が体積が小さくなることに

ついて、非常に大雑把な説明をすると・・・

結晶状態の氷は、平面で描くなら、正六角形の連続に近似できます。
このとき、六角形の中心には隙間ができています。
(水素結合が、例えば角度を自由に変えられるなら、六角形の中心に向かって
　水素結合を伸ばして隙間を埋められる(→正三角形の連続等に変わる)が、
　実際には角度が決まっているため、隙間が生じる)

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一方、液体になった氷では、No.1の方も言われているように、水素結合が
あちこちで切れたり向きがずれたりすることにより、一部の六角形が崩れ、
中心にあった隙間がつぶされます。

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このため、氷から水に変わる付近では、体積が減少します。


一方、一般的に温度が高いと体積が大きく、温度が低いと体積が小さくなる
のは、これもNo.1の方が言われていますが、原子や分子の熱振動によります。

これも大雑把な説明をすると・・・
例えば、振動したものを見ると、「ぶれ」によって実物よりも幅が広く見えると
思います。
振動した原子・分子同士が接近しあった場合、実際に近寄れるのは、この
「ぶれ」の外側の距離までになります。
(「ぶれ」の中にまで入ろうとしても、振動により弾かれる)

つまり、温度が高くなると、熱振動によって原子・分子が占有する空間が大きく
なるため、体積が増加する、ということです。