なぜ、水は凍るのですか？

我々の身近な物質は、温度や圧力の変化によって
固体（固相）、液体（液相）、気体（気相）に変わります。
その変化は、液体がだんだん固くなって固体になるの
ではなく、不連続に異なる物性へと変化します。

そこで質問です。なぜそのような不連続と言える変化が
生じるのでしょうか？よろしくお教えください。

No.1 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2014/01/18 11:28

ガラス(

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AC%E3%83%A9% … )のように連続的なものもありますが・・
　物質を構成する粒子は、クーロン力によって引き合います。
・その粒子が電気的に偏っているもの
　　+の部分と-の部分をひとつの粒子内にもつもの
　　例)水分子は正四面体のふたつの頂点が+残り二つが-、二酸化炭素は棒状で両端が-中心が+
・+の電気をもつものと⁻の電気を持つもの
　　例)金属は+の電荷を持つ粒子と-の電荷を持つ電子
・全体が均一な物
　　例)希ガス　電気的には均一だけど電荷を持つものが近づくとその側に電荷が集まる
　　　イメージ的には、静電気の検電器( https://www.google.com/images?hl=ja&q=%90%C3%93d … )
　　　粒子自体も常に均一な電荷ではなく「揺らぎ」があるため、それによって表面に電荷が現れると、その隣の粒子の表面に電荷が現れる。
　　http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1% …

　いずれにしても、粒子間にはその粒子の形状によって、クーロン力による引力が働く。

　もし、粒子の集合がなにも熱エネルギー(運動エネルギー)を持っていなければ＝絶対零度＝、粒子は位置も向きも固定された固体になります。

　これに、外部から熱が加えられると、集団のうちのいくつかは位置を固定されるクーロン力を振り切って動き出しますが、その数は外部から加えられた熱に依存して決まります。
★ここで、必要なのは温度と熱の違い。
　温度とは、平衡状態における分子の運動エネルギーを、エントロピーで微分した値--意味不明ですね(^^)。端的に言うと粒子ひとつひとつが衝突したときにどれだけ影響を与えられる--熱を渡せるかということ
　ここで、動き回っている粒子ととどまっている粒子間ではエネルギー(熱)のやり取りはされても温度は変わらないということ。そのために外部から熱が加えられても、動きまわる粒子は増えても温度は変わらない。熱が自由に動ける流子の数を増やすことに消費されてしまう。

★もちろん、位置や向きだけではなく、つなぎとめていく力も振り切って集団から飛び出す「はみ出し者」も系全体の熱がゼロでない限り存在する。そして常に他の状態の粒子と交代している。--気体で存在する流子の数も増える

　全体の粒子が自由に動ける状態になるまで、熱を加えても温度が変わらない状態が続き、やがて全体が自由に動き始めると、はじめて加えられた熱が粒子自体の運動エネルギーに使われ始める。

　それにつれ、互いの束縛も振り切って飛び出す粒子【の割合】が増え続ける。

　そのとき、その境界面では粒子の交代が起きているが、気相側から衝突(して引き止められる)する粒子の数と、液相側から飛び出す粒子の数は平衡状態。気相中から衝突する粒子は気相中に何個含まれるかに依存する。気相中のすべての粒子がその物質の粒子に置き換えられても、液相から気相に移動する粒子の数が多くなると沸点をこしたことになる。


　

この回答へのお礼

ありがとうございます。
一般的なご回答だと思いますが、
なんかスッキリしないんですが・・・・

お礼日時：2014/01/18 13:26

No.2 回答者： fiaks 回答日時： 2014/01/18 16:54

波動関数の重なりあいを起こすまでの潜熱を必要とするから。

２分子が結合して固体になるまでのエネルギー的な差による。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
でもやっぱりわからないよー・・・・
中学生に説明できるぐらいになりませんか？？

お礼日時：2014/01/18 20:40

No.3 回答者： fiaks 回答日時： 2014/01/18 16:58

ほかの説明では、相転移には自由エネルギーの1次微分か2次微分に不連続性が生じるため。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%9B%B8%E8%BB%A2% …

この回答へのお礼

ありがとうございます。
これも本質的になぜ相転移にはそうなるかってことが
説明できているのか？？？

お礼日時：2014/01/18 20:39

No.4 回答者： fiaks 回答日時： 2014/01/18 21:03

熱の概念を捉える必要があります。

熱は原子の振動や運動エネルギーとして解釈されます。
それらが量子力学的なミクロな束縛に捉えられるかが問題になるわけです。

仮に近接した2原子が結合したとしても、それらの周りの高い運動エネルギーを原子に与えるため、結合が解かれてしまいます。(熱平衡に向かう)
そのため、結合が局所的ではなく非局所的に起こるために相転移が起こります。


各相を表すエネルギー状態が、固相、液相、気相のそれぞれあり、一番エネルギーの低い状態に落ち着くという熱力学的なものがあるのですが、私は数式をまだ追えてないので潜熱の項がなぜ出てくるかを簡単に説明できません。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

そもそも、なぜ三相なのですかってところも説明できないのです。

お礼日時：2014/01/19 06:04

No.5 回答者： foomufoomu 回答日時： 2014/01/18 22:31

水分子どうしが固く結合している状態が、氷。

エネルギーを得て、結合が取れて自由に動けるようになった状態が、水。
さらにエネルギーを得て、分子同士が離れて動けるようになった状態が、水蒸気。
それぞれ結合をとくのに、一定の熱エネルギーが必要です。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
これはわかるのですが、なぜ、3つの不連続な状態があるのか？
たとえば水分子同士が固く結合している状態と自由に動ける状態
との中間的な状態はなぜ起こらないのか？そのあたりですね
説明できないのは・・・

お礼日時：2014/01/19 06:02

No.6 回答者： foomufoomu 回答日時： 2014/01/19 10:52

たとえば水分子同士が固く結合している状態と自由に動ける状態

>との中間的な状態はなぜ起こらないのか？そのあたりですね
中間的とは、どういう状態のことでしょうか？
水と氷が、半々に混じってコップの中に存在する状態は、普通に見ている思いますが、これとは違うのでしょうか？

分子の結合は、磁石がくっついているようなもので、くっつく、動く、離れる、以外の状態は考えられないと思います。

柔らかく変形するためには、バネのような構造のものが混じっている必要があります。ゴムは分子構造が、折れ曲がったひものようになっているので、柔らかく変形できますが、水分子にはそのような部分がありません。

バターなどは徐々に柔らかくなってきますが、これは分子量の違う油が混じっているので、液体になる温度にばらつきがあるためです。

No.7 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2014/01/19 18:17

No.1です。

中学生との事・・(No.2補足)
　子供達が床にひざを抱えて集まっている・・・固体
　立って歩き回っている・・・・液体
　集団を飛び出してグランドを走り回ってる・・・気体

　とっても寒いので、みんな身を寄せ合って集まっています。そこに外から「元気の元」を加えると、もぞもぞと皆が動き出しますが、まだそこにとどまったまま。温度が上がっている状態・・周囲に壁があればその「元気」が移動しますから熱を持っていることが分かります。
　さらに「元気」が加え続けられると、幾人かは動き回りますが、それでも誰かにすぐ元気の元を渡して座り込みます。もちろん、中にはグランドに飛び出す子もいますが、そうすると他のメンバーの持つ「元気の元」は減りますね。一人ひとりではなく、トータルの平均としてみること。
　さらに集団の「元気」が加わると、振動ではなく動き回るものもでてきますが、それは壁にぶつかる衝撃(温度)は同じだけど、持っている「元気」は違う。動き出すためには周囲から「元気」を貰わなきゃならない。
※結果的に、グループ(系)全体が持つ「元気」の総量に比例して、「座った子」と「動き回る子」の比率だけが決まる。
　これが融点での状況

　さらに「元気」が加え続けられると、とうとう全員が動き回るようになる。完全に溶けた状態。こうなると、次に加えられる「元気」は、そのまま一人ひとりの運動量に変わるため温度が上がり始める。---それまでは動き出すために使われていた---
　さらに温度が上がると、集団から飛び出して校庭を走り回る子が増える。
(注)皆が座っているときですから、飛び出す物もいるのです。
　　氷のブロックだって冷凍庫で痩せていくでしょう。


　話は大きく変わりますが、もし液体の中に余計な物--食塩とか--が含まれていると、固体と液体の境界では、液体側から衝突する個数が少なくなります。固体から液体に飛び出す確率は変わりませんから、トータルして液化する数が増える。そのため全体の温度が下がる。何処まで下がるかと言うと、バランスが取れるまで・・・・氷に塩をかけると温度が下がる--凝固点降下--でしょ。
　水と水の間に水しか通さない膜があったら、一方から衝突する数が減ってしまうため、解けていないほうから溶けているほうに移動する量が増える--浸透圧
　水に物が溶けていると、液体側から境界に衝突する数が減るので温度を上げないとバランスが取れない--沸点上昇
　みんな、同じ現象ですよね。すべて温度と圧力と体積に依存する。気体の状態方程式も、浸透圧も沸点上昇も凝固点降下も、全く同じ式になるでしょ。


　

この回答へのお礼

いっぱいのたとえありがとうございます

でもこのたとえでいえば「なぜ中腰の子はいないの？」
とか聞かれると困りますよね。中腰にはなれないんだよと
言ってもなぜ中腰じゃダメなの？なぜ正座はないの？
って質問は続きます。

なぜ個体・液体・気体じゃないのか？たとえばプラスチックは
連続変化と言えるのではないか？どこが違うのか？
ゆっくり考えてみます。

お礼日時：2014/01/19 18:31

No.8 回答者： yammy-j 回答日時： 2014/01/19 20:40

既にたくさんすばらしい回答が付いていますが、私も参加させてください。

質問者さんは「説明できない」とおっしゃいますが、説明するためにどこまでの仮定をおいてよいのか示さないのはアンフェアでしょう。

科学の理論は、そもそも、観測されている物事を説明できるように作られているので、観測されていないことが説明できないのはある意味当然とも言えます。

例えば、人間には『生きている人間』と『死体』の状態がありますが、それ以外の状態である『幽霊』が存在しないことを科学は説明できません。

しかし、ある程度の仮定を置けば、何らかの議論は出来るかもしれません。
例えば『幽霊』の話を引っ張るのなら、以下の特徴を持つものを『吸血鬼』と定義します。

・人間の血を吸う
・数ヵ月ごとに人間の血をすえば不死身
・血を吸われた人間も『吸血鬼』になる

何らかの議論というのは例えば以下のようなものです。

「もし『吸血鬼』が実在するなら、その数は鼠算式に増えなければならない。にもかかわらず『吸血鬼』が観測されていないのは『吸血鬼』が存在しないからではないか。」

同じようなことを物質の状態に当てはめるなら、例えばこのようなのはどうでしょうか？

・エネルギーが最小である状態が実現する
・調べたい状態の原子配置が分かっている(仮定できる)

上記のような条件の下で、例えば分子動力学計算などをすれば、固体や液体のエネルギーとの比較から、調べたい状態が熱力学的に安定であるかの議論できるでしょう。

もちろんこれは簡単な話ではありません。『吸血鬼』のたとえに戻るならば、例えば「数ヶ月じゃなくて10年は血を吸わなくても大丈夫」とか「血を吸われた人間は『吸血鬼』じゃなくて『ゾンビ』になる。ゾンビというのは・・・」とか仮定の部分を変更するたびに考察をやり直さなければなりません。

蛇足：『中腰の子』について
上記の話から『中腰の子』の様に可能性をある程度絞って議論するのは凄く良いと思います。

私の感覚からいえば大多数の『座っている子』の中に少数の『中腰の子』が混ざっていることは全く問題ないと思います。現実の結晶でも『格子欠陥』や『格子間原子』は存在しますし『自己拡散』だって起こっています。
逆に少数の例外を除いて大多数が『中腰の子』というのは考えにくくないですか？だって「疲れちゃうから」。
もちろん「『座っている』より『中腰』のほうが疲れちゃう」というのは「『熱力学的に不安定な状態』のほうが『安定な状態』よりもエネルギーが高い」ことのアナロジーです。

ただし『座っている子』が『固体』のアナロジーで『歩き回っている子』が『液体』のアナロジーなのだとすると『中腰の子』がどういう状態なのかもはっきりさせておかなければいけませんね。

No.9 ベストアンサー 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2014/01/19 23:20

No.1、No.7です。

＞でもこのたとえでいえば「なぜ中腰の子はいないの？」
　それは、すでにNo.1で説明しましたよ。ちゃんと読んでませんね。

　特殊なものを除いて中腰にはなれないのです。（というか着座できないというほうが良い--後で説明するかも）

　粒子には、それぞれ結びつく向きが決まっています。正三角形や、四角形や、六角形だったり、ジグソーパズルのピースのようだったり・・
　はまり込んでいれば、座っている、外れれば自由に向きを変えられる。

　たとえばジグソーパズルのピースのようにきっちりと結びつく(共有結合)ものでしたら、あるいは丸い円形の形(希ガス)でしたら、四角形の形(金属)だったら・・・。

　プラスチックやガラスは、分子間力で整列しようにも時間がかかるため結晶にはなりにくい。時間がかかれば結晶化する。
　希ガスは、そもそも結びつく方向性も力も弱いため固体は無論、液体でいられる温度範囲も狭い。水よりはるかに重い二酸化炭素は直線状で両端が＋、両端が－ため整列する力は兎も角、動き始めたら引き合う力が弱いためすぐ気体になる。

　

No.10 回答者： moumougoo 回答日時： 2014/01/25 01:22

熱がある状態は水分子がエネルギーをもって自由に動き回ろうとします。

それに対して分子が整列する方がエネルギーが低く安定です。
なので、熱が減ってくると整列した状態を水分子は選ぼうとしますが、
ものによってはエネルギーをいっぱいもった分子、エネルギーがなく整列したがる分子が出てきます。
にもかかわらずなぜ相転移が起こるのかということですよね。

以下、うまく説明できているかどうかわかりませんが、ワイスという人が導入した平均場の理論というのを言葉で説明してみます。

ある分子M0が整列したときと整列しなかったときの系のエネルギーを考えます。
系のエネルギーとしては、周りの分子M1,M2,・・・が整列していれば小さいですし、
整列していなければあまり変化がありません。周囲しだいということです。
では周囲の分子の整列具合はどう考えればよいでしょう。
周りの分子M1,M2,・・・はある分子M0と同じようなものなので、
ある分子M0が整列した方がよさそうな系のエネルギーのとき（温度が低いとき）
はやはり整列した状態にいる確率が高いです。
逆にある分子M0が整列しなくてもよいくらいエネルギーが潤沢なとき（温度が高いとき）
周りの分子M1,M2,・・・も整列しなくてもよい確率が高いわけです。
そうすると、温度が低いときはますます整列した方がよいですし、
温度が高ければ整列してもしなくてもエネルギーはかわらなくなります
（さらにエントロピーが高い方がよいのでできるだけばらばらになろうとします）。
つまりみんな一斉に同じような振る舞いになってしまうということをいっています。
相転移の振る舞いを大雑把に近似するとこのようになります。
（そう分離の話があるのでこれだけでは本当は説明できないのですが、
　なぜ氷と水という違う相があるのかというと上記のような説明になるかと思います。）

参考URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B9%B3%E5%9D%87% …