水の膨張

Question

学校で物質は、温めると膨張する、と習いました。
でも容器に水を入れて冷凍庫に入れておくと氷になった時、容器より膨らみますよね。どうして冷やしたのに、体積が増えているのでしょうか？また、温暖化で、海面が上昇するといいますが、氷山が溶ける他に
海水の熱膨張によるということが、あげられていますが、これは、どういう意味なのでしょうか。中学生でもわかるレベルで、回答いただけると助かります。よろしくお願いします。

sanori · Accepted Answer

こんばんは。

＞＞＞でも容器に水を入れて冷凍庫に入れておくと氷になった時、容器より膨らみますよね。どうして冷やしたのに、体積が増えているのでしょうか？


氷になると膨らむ（体積が増える）ことと、固体の密度が液体の密度より大きいのとは、同じことですが、
この理由の本質的な説明は、結構難しいです。
（私自身も、一から説明することはできないです。）
初心者向けには、下記のリンクの前半部分の説明で十分と思います。
http://www.chemistryquestion.jp/situmon/shitumon_kurashi_kagaku3.html

いずれ、水というのは、固体のほうが体積が大きくなるという、非常に特異な物質のひとつです。
http://www.chemistryquestion.jp/situmon/shitumon_kurashi_kagaku36_density.html

スケートやスキーというスポーツは、その原理の上に成り立っています。
つまり、氷が圧迫されると、体積を小さくするために水に変身するということです。

余談ですが、
０℃より少し上の温度でも、変なことが起こります。
水は約４℃で体積が最も小さくなり、そこから０℃まで冷えるまでは、縮むのではなく、わずかながら膨張していきます。


＞＞＞
また、温暖化で、海面が上昇するといいますが、氷山が溶ける他に
海水の熱膨張によるということが、あげられていますが、これは、どういう意味なのでしょうか。


まさに、ご質問文の最初にある「学校で物質は、温めると膨張する、と習いました。」のことです。

こんな温度計も、その原理を使っています。

http://www.ficst.co.jp/files/item_images/603004.jpg

http://www.tech-jam.com/items/image/KN3107011.jpg


以上、ご参考になりましたら。

ojisan7 · Answer

>物質は、温めると膨張する、と習いました。

そうです。たいていの物質は温めれば膨張します。氷も水もそうです。水の体膨張率は理科年表でみると、２０℃で0.21×10^(-3)[/K]です。氷の体膨張率そのものは表にはありませんが、線膨張率は載っています。０℃の氷で52.7×10^(-6)[/K]ですね。これから推定すると氷の体膨張率は3×52.7×10^(-6)=0.158×10^(-3)となりますね。ともかく、水も氷も温めれば膨張するということです（ただし、水は４℃の時が密度が最大ですがこのような細かいことは無視します）。海水の場合も水の場合と大差はないでしょう。

しかし、状態が変化する場合はその限りではありません。一般論として固体が液体になれば体積が減少します。しかし氷が水になるときは違いますね。これは水が極性分子だからです。氷の結晶は１つ水の分子を中心とし、正四面体の各頂点に水分子を配置した水素結合です。これが水になると、結晶がくずれ、ばらばらの状態になります（しかし、水素結合は維持されています）。ばらばらになれば、当然、体積は減少しますね。変なたとえですが、建物が崩れれば、ぺしゃんこになって、体積が減るのと同じです。

Willyt · Answer

＃１の方の回答で尽きていると思いますが、一つ付け加えると
海に浮いている氷山が解けても海面は全く上昇しませんよ。それどころか４度Ｃになるまでは却って海面は低下します。海面が上昇するのはそれより温度が上がった場合ですが、これは全海面へ向かってその上がった分が拡散して行きますから、地球の海水全体の平均水温が上がらないと海面は上昇しません。

owata-www · Answer

水は特殊で密度が固体＜液体　だからです。

簡単に説明すると
http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/crys/ice/lect5.html
こういうことです

水の膨張

こんばんは。

>物質は、温めると膨張する、と習いました。

＃１の方の回答で尽きていると思いますが、一つ付け加えると

水は特殊で密度が固体＜液体 だからです。

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