氷はなぜ水に浮くのでしょうか？

Question

水について判らないことが多いのです
１．氷が何故水に浮くのか？
　　（同一の物質が、個体の状態で何故液体になるのか？）

２．氷になると何故体積が増えるのか
３．水の分子間結合は低いのか？
　　水が何故沸点に達しない状態で蒸発するのか。
４．水蒸気と湯気の差は何か。
５．０度から１００度という狭い範囲でしか液体の状態で居ることが出来ないのか。
６．なぜ地球上の生命体は水を必要とするのか。
７．過冷却水が何故存在するのか。

多少の知識はあるのですが、考えれば考えるほど訳がわからなくなってしまいました。
最近では、Ｈ2Ｏという物は物質の３体に当てはまらないのでは無いかとの気がしています。
どなたか納得出来るように教えて下さい。

yasuh · Accepted Answer

すこし順番を変えて解答にトライしてみます。
長くなっちゃいますけどいいですよね？できるだけ簡潔にすまします。
２．氷になると何故体積が増えるのか 
　氷とは水の結晶ですよね。結晶は分子がきれいに整列された構造を持ちます。一方液体の水は分子がお互いに作用しながらもぐちゃぐちゃに存在しています。
　普通は分子がきれいに並んだほうが体積は小さくなります。しかし水の場合分子内で大きな電気的な偏りがあってそのため「水素結合」というものが生じます。
　「水素結合」とはある水分子と別の水分子の間の結合のことです。水素結合により液体の水は小さくまとまろうとします。その結果体積が小さくなります。
　水が氷になろうとすると結晶という整った形を作ろうとすることによって逆に体積が大きくなってしまうということです。

　1.氷が何故水に浮くのか？
　物には物の量(質量)に比例して重力という地面の方向にに引っ張る力が働きます。先ほど書いたように氷と水を比べたら、水のほうが同じ体積に多くの分子が存在しています。ということは同じ体積ならば水のほうが重いんです。すると水のほうが強く重力の作用を受けることになります。その結果水が下に行き氷は上に行くことになります。

（同一の物質が、個体の状態で何故液体になるのか？）
とはなぜ氷と水が同時に存在できるかということですよね？(違ったらごめんなさい)
これはまず水と氷が平衡という状態にあるからです。
もし水と氷の境界面を分子まで捉えられる顕微鏡で眺めたとしたら、おそらく水から氷へ、氷から水へと変わっていく分子を観測することができるでしょう。
　水は氷になるときに熱（エネルギー)を放出し逆に氷は水になるときに熱(エネルギー)を吸収します。氷と水が共存している状況とはすべての分子が水になるほどエネルギーを持っていないけれども、逆にすべての分子が氷になるほどエネルギーが少ないというわけでもない微妙な状況なのです。


３．水の分子間結合は低いのか？
水の分子間の結合はほかの同じくらいの大きさ(分子量)の分子に比べたら強いです。(先ほど「水素結合」という話をしましたが、これは水分子が折れ線でH-Oの結合で、O原子が強く電子を引き寄せることによって分子内に電気的な偏りが生じるからです。)

水が何故沸点に達しない状態で蒸発するのか。
これはすべての水の分子が同じ速度で運動しているわけではないからです。気体分子は液体分子に比べて早く運動しています。温度というのは分子の「平均の」運動エネルギー(速度の二乗に比例します。)を表しています。つまり100℃以下であっても気体になるのに十分なエネルギーを持っている分子はあるわけです。そのような分子は蒸発して気体になります。

４．水蒸気と湯気の差は何か。 
水蒸気とは気体の水のことです。一方湯気は水蒸気も含んでいますが、空気の勢いによって押し出された小さい水の粒も含まれています。
　
５．０度から１００度という狭い範囲でしか液体の状態で居ることが出来ないのか。
じつは圧力(上から押さえつける力)を変えることによって液体は０度から１００度以外の範囲であっても存在することができます。ただ普通の条件(1気圧)では０度から１００度の範囲です。それはこの範囲では液体の水がもっとも安定だからです。（なぜ安定化ということを厳密に説明するのはエンタルピーなど大学での知識を必要とします。)
　端的に言えば０度から１００度の分子はちょうど液体として存在するのに適した運動エネルギーを持っているのです。

６．なぜ地球上の生命体は水を必要とするのか。
　それにはさまざまな理由があります。まず第一に水が物を溶かす能力に優れているからです。たとえば糖類(エネルギーの源になる)は水に溶け、体のいたるところの細胞に供給されます。体内では絶えず化学反応が起こっています。それら多くの反応は水に物質が溶けることによって可能になります。
　第二に水は電気を通すことができます。純粋な水はほとんど電気を通しませんが、ミネラルが溶けている場合電気を通すことができます。人間の神経は脳も含めて電気で情報をやり取りしています。そのた色々こじつけてきに考えればいろいろな理由が考えられます。
　しかし、もっとも大きな原因は生命の誕生の瞬間に水というよい溶媒(物を溶かすもの)が存在することによって、生命誕生に必要なたんぱく質などがうまく反応できたということかもしれませんね。

７．過冷却水が何故存在するのか。
これは水の分子が結晶という整った形をとるために一定の刺激を必要とします。先ほど説明しましたが水が氷になるためには熱を吸収する必要があります。しかし温度が下がっているため分子の運動エネルギーがとても小さくなっているため刺激を与えないときちんと整列することができなくなるのです。
それが過冷却水が存在する原因です。

　Ｈ2Ｏという物は物質の３態に当てはまらないのでは無いかとの気がしています。
　そんなことはないですが、水という分子は特殊なものであることは確かですね。

以上本当にさわりの部分だけ説明しました。本当はもっと複雑な部分もあります。分かりにくい表現、語句があったら遠慮せずいってください。それでは。

yasuh · Answer

edogawaranpoさん、No6で敬称書き忘れました。どうも失礼しました。m(..)m

yasuh · Answer

yasuhです。たびたびすいません。
7.×先ほど説明しましたが水が氷になるためには熱を吸収する必要があります。

7.○・・・氷が水ですね。
うっかりしてました。訂正します。
edogawaranpoの氷5が存在するというのは氷の結晶構造が5種類あるという意味ですね。(その手があったか！）ということを考えれば非常に高圧では氷が水に沈むという現象も・・・って脱線してしまいました。
でも一度氷が水に沈むところ見てみたいなぁ。

noname#21649 · Answer

1.2.氷1の結晶構造の関係です。
3.前半。「低いかどうか」知らないので答えられません。後半。不確定性原理による。
4.前者は分子状の水.後者は水のエアゾル
5.1き圧では.ご指摘のとおり。ただ.同じ分子量の水素結合を持たないぶしつと比較すると.「狭い範囲」とは言いがたいのですが。水素結合が存在するために.容易に気体になりにくく.100度という広範囲で液体を保っていられるのです。
6.水素結合が存在するために.生化学反応が起こりやすいから。逆にいえば.水がなかったらば.たんぱく質の高次構造なんて成立しないので.生命は誕生できなかったでしょう。
7.乱雑さの影響。

水は.氷5なんて驚異の結晶構造がありますので.3体にはあてはまりにくいのですが.１き圧という条件を考えれば.比較的簡単に３体に当てはまるかと思います。

yasuh · Answer

ちょっと補足します。
水素結合により・・・
のところは「水素結合の影響」によってとしたほうがよかったですね。投稿した文章を読んで、誤解を招く恐れがあったので訂正することにしました。

それと湯気と水蒸気の決定的な違い、思いつきました。
「湯気は目に見えて、水蒸気は目に見えない。」です。
白く見える時点でもう水蒸気ではなくて湯気です。
ポットでお湯を沸かして出てくるものを見ると根元の部分は何も見えず、途中から白っぽくなりますよね。
そこが湯気と水蒸気の境界です。

acacia7 · Answer

No.1の答えで・・
４の答えのところで誤字してた・・
ごめんなさい。
４の３行目「水蒸気は液体」ではなく「湯気は液体」です。

あと、１の答えで
「これが水素結合と呼ばれます。 」
っていうのは「固体状態では水素結合と呼ばれます」
ぐらいにしといてください（＾＾；；

Hiyuki · Answer

水は確かに特殊ですね。
1と2は同じ理屈です。水は個体になるとき水素結合をしますが、そのとき正四面体のような形状をとります。
その正四面体の中は空洞なので、結果として体積が増え、密度が低下します。そのため水に浮くのです。

3はちょっと勘違いをされていますね。沸騰と蒸発は意味が異なります。たとえばガソリンやアルコールでも常温
で気化しますよね？気体になるための熱エネルギーを周りから得ることができれば、水は少しずつ蒸発していき
ます。沸点は液体の状態を保てなくなる点という
だけですから。

4は水蒸気は気体であるため密度が低く、目には見えません。湯気は温度が下がって分子が複数個結合した状態なの
で、ある意味液体ともいえます。これは私も詳しく
しらないので、抽象的な話になってしまいます。

5は専門ではないので何ともいえませんが、0度から100度を狭いととるかどうかといった気もします。

6は屁理屈のようですが、水を必要とする生物だから水を必要とするといった感じですね。
もう1つの言い方としては、水は特殊なものなんです。様々な物質の溶媒となり、比熱が高くかつ安定度が高い
というやや矛盾する要素を含んだものなのです。生物が地上で生きられるのも、水の溶媒としての優秀さや、
比熱の高さによる体温調節の容易さがあげられると思います。

7過冷却に関しては
http://kinki.chemistry.or.jp/pre/a-10.html
http://www.omsolar.co.jp/m/d114.shtml

acacia7 · Answer

まず、水分子の特性から説明。
水は２個の水素原子と１個の酸素原子より構成され、
くの字型をした分子構造と水素原子と酸素原子のイオン化傾向の違いにより分極した分子となっています。
この分極特性により、分子間に電気的に引力がはたらきます。これが水素結合と呼ばれます。

３＞水分子の分子間力は酸素原子前後の原子の水素化物と比較して顕著に強いです。これはその液体の沸点の高さが極端に高いことからわかります。

水が沸点に達しないで蒸発するのは、気相の蒸気圧が飽和していないためです。
沸点とは水の蒸気圧が１気圧になる温度であるだけで、
高温でも高圧にすれば水が発生しますし、
低温でも低圧にすれば水蒸気になります。

２＞水素結合は液体状態では切れており、分子間力として束縛はされるものの、結晶は構成しません。このため水分子は小さい密度まで接近することが可能になります。
これに対し、氷では水素結合で分子同士がお互いに位置を束縛する為、低温の水よりも密度が減ることになります。
よって、低温の水より氷の方が体積が大きいということが起こります。
ただし、高温の水はその分子運動が大きくなることにより膨張するため、氷より体積が大きくなりえます。

１＞低温の水より氷の方が体積が大きく、密度が小さいわけですから、水の中に氷はうかぶわけです。
氷水のなかでは、水素結合にとらえられた分子とそうでない分子が存在します。これは分子そのものの状態ではなく、回りの分子群の条件できまります。
つまり、０℃の水分子は回りの分子が氷であれば、氷の一部をなすし、回りが水であれば水の分子になるわけです。
そして、その境界では氷になったり水になったりしているのです。

これは水の表面から気相中に水分子が飛び出したり、
気相の水分子が液相にとらえられたりしているのと同様です。


４＞水蒸気は水の三態における、気相をさします。
湯気は微小な水のクラスターが気相中に分散している状態です。よって、水蒸気は液体であると言えます。

５＞地表の気圧が「１気圧」だからです。
深海の様な圧力の高いところでは１００℃以上の水がありえますし、富士山頂では１００℃より低いところで沸騰します。

６＞水が多かったからじゃないですかね・・
本当の所は、なんとも言えないと思います。
いわゆる、「人間原理」で、そういう状態だから
人間が発生し、観測できたということかもしれません。

７＞相転移はエネルギー障壁を伴う場合があり、
氷と水の間の相転移もあります。
で、このエネルギー障壁を超えるためには
トリガーとなるエネルギーが必要ですが、
それを超えないうちはもともとの相を維持するためでしょう。

とりあえず、水分子は、氷分子を加圧した場合、水になる場合があるという珍しい特性を持っていますが・・
特に物質の三態に当てはまらないわけではないです。

参考URL：物質の三態

参考URL：http://www.crdc.gifu-u.ac.jp/edsoftol/kadai-hs/santai.html

氷はなぜ水に浮くのでしょうか？

すこし順番を変えて解答にトライしてみます。

edogawaranpoさん、No6で敬称書き忘れました。

yasuhです。

1.2.氷1の結晶構造の関係です。

ちょっと補足します。

No.1の答えで・・

水は確かに特殊ですね。

まず、水分子の特性から説明。

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