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一般に、物質の状態変化では
温度を上げると物質の体積は膨張し、
温度を下げると縮みますよね。
たとえば、ろうそくを溶かしたり固めたりして
実験できると思います。
しかし、水の場合は、凍らすと膨張します。
高校化学の時間に、それは水特有の性質だ。
と習った記憶がありますが、
どのような性質によるものなのでしょうか。
どなたか、よろしくお願い致します。

A 回答 (4件)

氷の結晶構造を示す図は、様々な本に書かれていますので見たことがあるでしょうね。

参考URLにも出ています。
その特徴として、OーH…Oが直線上に位置していることがあげられます。ここで、ーは共有結合、…は水素結合を表します。こうした直線構造は、水素結合に由来するものです。
こうなることによって、氷の結晶は対称的な結晶になりますが、OーH…Oが直線上に並ぶことによって、結晶に隙間ができることになります。

それに対して、氷が溶けると、OーH…Oが直線上に並ぶという制約が弱まってきて、その直線構造からずれやすくなります。結果的に、氷の場合に存在した、分子間の隙間を確保できなくなり、その分だけ体積が減少するということです。

つまり、水の特殊性は、1個の水分子が2個のH原子を持ち、それぞれがOーH…Oが直線上に並ぶような水素結合を形成することによって、安定で対称的な結晶となり、しかもその内部に隙間を生じることが原因といえるでしょう。

参考URL:http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/crys/ice/lect …
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ちなみに, ほかには Si とか Ga とかが知られてます.


Si だと高温すぎる (1400度以上) し, Ga は入手性が悪いので実験しにくいんですが.
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水素結合をご存じでしょうか。


氷では酸素がダイアモンドの炭素の位置にある正四面体構造をとっており、酸素上の二つの水素は隣にある二つの酸素の間のどちらかの近い方にいます。
もう一方の酸素とは水素結合でかなり堅くつながっています。
しかしその位置は非常に大きな速度でもう一方の酸素に近い位置へと移動しています。
極論すれば氷はOH3^+とOH-の結晶なのです。この氷は超高圧で水素原子が二つの水素の間の二つの位置に「量子論的に半分ずついる」事が観測されています。
一方水ではこの整然とした正四面体構造が既に壊れ、きれいな格子構造の中に水分子が一つから数個つながったクラスターが出来ていて、まだ残っている格子構造の中に入り込み正四面体構造を乱してしまっています。
この整然とした正四面体構造の対称性の高さから来るエネルギーの有利さが通常の圧縮による酸素原子同士の接近による体積減少のエネルギーの有利さを凌駕しているわけです。
この不思議な現象が岩石の崩壊を早め、生命の存続をも有利にしています。m(_ _)m
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下記サイトに、


鉄や銅は固体になると体積が減るのに、水は凍るとどうして体積が増えるのですか?
の説明が出ていますのでご参考にしてください。

参考URL:http://bbs.com.nifty.com/mes/cf_wrentT_m/FCHEM_B …
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