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 水たまりやバケツなどの周りに薄く氷が張るとき、氷と水の間に空気が入っていることがあります。これを子供に質問され私はこう答えました。
 水が氷になるときには膨張する、また水は4℃のとき体積は最小になる。そして、氷はまず上の方から凍るはずである。その後周りが凍ってくる。周りの氷が膨張し、中の水は収縮するため、そこに隙間ができ、周りの空気が入り込む。
 ところが、学校でこれを発表したら、不正解。なぜなのでしょう。子供は説明を聞いても分からなかったそうです。解答をよろしくお願いします。

A 回答 (6件)

水溜りの場合は、水のしみこみが一番大きいと思います。

アスファルトの水溜りは隙間なく凍っているようです。

バケツの場合、そんなに空気が入っているかな?とは思いますが、かんがえられること。
家庭用冷凍庫のアイスキューブをみると、真ん中が膨らんでいます。縁からこおりはじめて膨張した水が押し出されながら凍っているのだと思いますが、表面が拾い場合、押し出された水も縁に回って平面的に広がって凍る。
あと地温が上昇して、4℃のとき体積が最小になるので縮小した分が隙間になる。
もっとこまかいことを考えると、バケツの形が上開きになっているので、氷が上にあがることで表面積が広くなる。体積の膨張をそれで吸収する・・・?

不正解のポイントがわからないですが、「上に張った氷が固定されていること」を明記しなければいけなかったのかな?(浮いていれば隙間が出来ないから)
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水たまりに張った氷の空気の原因は、水が土に染み込んだという説が最も妥当だと思います。


バケツに張った氷の中の空気は、水面(バケツの外周から内側へ)に氷が張っていく工程で氷がバケツを押し広げて氷で蓋をされたバケツ内が負圧になり空気を吸い込んだ、という考えと、単純に水に溶け込んだ空気が気泡になって出てきた(コップに水を入れて放置すると気泡が出てくることがあるでしょ?)だけという考えがありますね。

ところで、学校での正解はナンだったのでしょうねぇ・・・
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

私も土に水がしみ込む説が妥当かなと思えてきました。しかし、バケツの場合は表面にひび割れができて気泡ができているような気がするので、似たような現象ながら理由は別なのではないかと思うのです。バケツの場合はいったんは膨張した氷がバケツの弾力に負けて亀裂が入りそこから空気が入りつつ、また凍るというようなことがくり返されて空気がたまるような気もします。私も学校の正解が知りたいのですが…

お礼日時:2002/02/05 23:16

普通水面から先に凍りますよね。

その後、中の水の温度が更に下がっていくとき水中に溶けていた空気が押し出され氷の下にたまると言う事ではないでしょうか。

結局は、水の中に不純物があると気泡のある氷が出来ると言うのと同じ事ではないでしょうか。

別の話として、急速に氷を作ると気泡が出来る。ゆっくり冷やすと、きれいな氷が出来るとも言います。水中の空気が全部逃げてから凍るわけですよね。
冷蔵庫で、きれいな氷を作るには、製氷皿の下に割り箸を置いてゆっくり凍らせるといいそうです。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

説明不足なのですが、気泡はかなり大きいこともあります。(50ml前後、田圃だとものすごい体積のこともあります。)あれほど水の中に溶けているとは思えませんし、気体が押し出されてくるのは氷からだけのはずなので、(ヘンリーの法則からすると溶媒の温度が低いほど気体が溶ける質量は増えるはずなので)薄い氷の中にかなり大きい気泡ができているのは説明できないような気がしますが、どうでしょうか。

お礼日時:2002/02/05 23:22

小学校の理科って大人的な回答をすると不正解というのが有るので困ってしまいますね。

私も熱膨張を利用した身の回りの物を挙げなさいという問題で、コタツのバイメタルと答えたら×にされました。

しかし、marstakaさんのおっしゃる原理も非常に論理的ですが、氷の出来る過程の膨張などが理由で空気の泡が入るかというと、疑問が起きるような気がします。(凍り始める温度は水温がほぼ0℃前後で一様ですから空気の泡はどこから入り込んだのかという疑問が残ってしまいますねぇ)

私は凍っていく過程で水が土に吸収されていき、空間が出来るためではないかと思いました。空気の入った氷は、何となくコンクリやアスファルトの水溜りより、水田などで良く見かける気がしたものですから・・・
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

やはり凍る途中で地面に水がしみこむというのが説得力がありそうですね。ただし、バケツなどでも、氷の表面にひびが入って20~30ml位の大きな気泡ができることがあるようなきもするのですが…この場合の説明はどうなるでしょうか。

お礼日時:2002/02/05 22:23

不純物によるムラと、冷やされ方が一様でないからではないでしょうか?


水道水な冷凍庫の氷もゆっくり一様に冷やせば空気の入らない綺麗な氷になると聞いたことがあります。
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

気泡と言っても小さなものではなく、水と氷の間に20~50mlかそれ以上の大きな気泡ができるのです。説明不足で済みません。

お礼日時:2002/02/05 22:26

不純物が含まれているからですよ。



冷蔵庫で、水道水を凍らせたときも、空気が入りますよね?
お酒に入れるロックアイスは、純度が高いので、
空気も入らず、溶けにくいのです。

雨水の空気中の汚れや地面の汚れによって、そうなってしまうのではないでしょうか?
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この回答へのお礼

回答ありがとうございます。

説明不足で申し訳ないのですが、氷の中の気泡ではなく、氷が周りに薄く張って中がまだ水のときに、かなり大きな空気の塊(50ml前後)ができる理由を知りたいのです。よろしくお願いします。

お礼日時:2002/02/05 22:29

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