No.4ベストアンサー
- 回答日時:
水の分子が水素結合でつながる場合、正4面体を基本にした構造になります。
炭素から対等な結合の手が4本出た場合の構造と同じです。この構造を基本として結晶を組んだ場合の構造は六方晶系のウルツ型と立方晶系のダイヤモンド型の2つが可能になります。
炭素だけの時にも六方晶系のものもあるようですが珍しいということです。氷の場合は高温で六方晶系だそうですから水に浮かぶ氷の場合はダイヤモンド型ではないようです。
でもどちらの氷も密度は0.92g/cm^3です。隙間の多い構造です。
氷の構造をあちこち検索して調べてみると正4面体型だから隙間が多いと書いてあるものがかなり目に付きました。配位数が4だからと最密構造の配位数12と比べているものまでありました。
氷が融けて液体の水になっても水の分子5つが作る4面体構造はほとんど壊れないと書いてあるものもありますので氷と水の密度の違いは4面体が壊れるかどうかではないはずです。
4面体を基本としてできるダイヤモンド構造、ウルツ型の構造に隙間が多いのです。
ダイヤモンド型の場合、1辺の長さaの単位立方体の中に正4面体が4つ含まれています。1辺の長さがa/2の立方体が8個含まれているはずですがその中の4つが空なのです。半分空だということになります。
六方晶系の場合も半分空です。平面の6角形は6つの正三角形に分割できます。その中の3つが正4面体で埋まっています。残りの3つが空です。
どちらの構造でも密度が同じというのはここから来ていることです。
氷が融けて水になると結合が切れて動くことが出来るようになった正4面体の端がこの隙間を埋めるようになるので密度が大きくなるということです。
2つの構造が可能だというのはシクロヘキサンの炭素に椅子型と舟型があるというのに対応している様に思います。
No.3
- 回答日時:
ど~でもいいのですが, 「ダイヤモンド型」ではないはずです>#2.
いずれにしても氷 (Ih) の結晶構造は「すきまが多い」ということなんですけどね.
なお, 氷には圧力や温度に応じていろんな相があります. もっと高圧だと他の相が現れ (例えば氷III など), こいつらは圧力を上げると融点も上がります.
![](http://oshiete.xgoo.jp/images/v2/common/profile/M/noimageicon_setting_16.png?e8efa67)
No.2
- 回答日時:
簡単のため常圧付近での話しをしましょう。
一気圧での水の結晶=氷は完全な「ダイアモンド」型の結晶構造をしています。
O-H-Oが一直線に並び、酸素の並び方は正四面体の頂点と重心の位置を占める構造になります。
しかし、この構造より不規則な水の構造の方が同じ体積に詰め込まれる分子数が多いので、そのもっとも密度が高い状態は大気圧下では四℃になります。
目で見える形で示すのは少し難しいです。
No.1
- 回答日時:
状態図中の固相と液相の境界線の傾きが負になっているからという説明が時にありますが、それは理由ではなく実験事実ですね。
実は水が凍るときに体積が増えることと関係があります。圧力を上げることにより体積が減る方向に相平衡が移動するため氷が融ける(融点が下がる)のです。
ではなぜ氷になると体積が増えるのかですが、液体の水は複数個の水分子が適当に繋がった鎖がからまったような構造をとっているといわれています。温度を下げていくと分子間の水素結合が支配的になり、酸素原子が中心、水素原子が頂点にある四面体構造ができるため密度としては下がることになります。
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