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水を凍らせて氷にすると、体積は大きくなるのに、
水を冷やしたときには、体積が小さくなるのはどうしてですか?

A 回答 (10件)

理由は分かっていません。


氷のパッキングはx線回折から分かっていますが、水のパッキングは
分かりません。多体問題で1億年間富岳で計算しても答えはでないのです。
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cryst_st …
「水を凍らせて氷にすると、体積は大きくなる」の回答画像10
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結晶の構造としてそうなるから。


氷と水では結晶の構造が違う。
氷の方が水より疎な構造を取る。
その分体積は大きくなる。

水は液体で結晶構造を持たないが、しかし静止している状態では水素結合を軸とした六角形構造を持つ。
これも一種の結晶と見なせる。


水を冷やすときは単純に「分子の振動状態」。
温度とは「その物体の構成分子の総運動量」だが、液体の場合分子同士が密接に結びついているため、分子の運動は「その場での振動」という形を取る。
つまり、温度が低くなるほど振動は小さくなり、空間における占有率は小さくなる。
その分体積は小さくなる。
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温度って、物質の分子とか原子がどれだけ激しく動いてるかです。



物凄く激しく動いていると、「高い温度」として観測され、「ジッとしていると「低い温度」として観測されます。

高温=激しく動いてる。
だから全体が広がります。この広がりを体積として観測してます。

高温=ジッとしている
だから全体が広がらないから、「体積が小さい」として観測されます。

以上の事から
同じ物質では、固体より液体、液体より気体、の方が体積が大きくなります。

ただし、水は例外で、固体より液体の方が体積が小さくなります。
これは、水の分子構造が特殊な為です(詳しくは高校・大学で・・)
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水を凍らせて氷になる時には相転移してるから, 単純に水を冷やしただけの (相転移しない) ときとは違う議論になる. つまりもともとからその比較に意味はない.



あとついでにいうとこの辺は圧力も関係するところで, 「1気圧であれば」水の体積は 4℃ くらいで最小になる. つまり「水を冷やしたときには、体積が小さくなる」も (その条件では) 正しくない.
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水は特殊でしてね、


液体よりも固体の方が体積が増えるのです。
(通常は、固体は減る)

日本語では異常液体と言うようですね(今調べて知りました)



(通常のあらゆる物質が、温度の低下で体積が減る原理は、分子のムズムズの動きの量こそが温度なため。つまり、温度が高い程分子の活動は活発であり、分子の活動が活発な物は熱い。)
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分子間の距離の違いです。


温度が高くなると 分子の活動が 活発になります。

水は 4℃ のときが 同じ重さで 体積が 一番小さくなります。
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分子運動が小さくなるからです。


4℃が一番密度が高い。
多分4℃以下では結晶ができはじめるんでしょう。
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凍る際にはどうしても空気を含んでしまうので体積が大きくなるのです。

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固体(氷)になるか、


ならないかによる。
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分子間の空隙が縮まるから

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