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(9289) 氷の体積
吉田勝豊
2005年02月23日(水) 23時28分

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。



(9296)  (Re:9289)
Re:氷の体積
daijiro74
2005年02月24日(木) 17時38分

こんにちは。
基本的に液体の方が気体よりも密度が高く、体積は小さくなります。
液体は分子や原子が動いている状態なので、隙間が多くあります。
しかし、固体になったときは規則正しく並んでいるので隙間はあまりありません。
箱に物を入れるとき、きちんと整理して入れれば全部入るのに、適当に入れたら同じ量が入らなくなるのと似たような感じだと思ってください。
水の場合には、水素結合というものが影響してきます。
水はH2Oですが、その水素がほかの水の水素と作用して結合を形成します。
水の温度が高い場合は分子の運動が盛んなため、水素結合の影響は少なくなります。
温度が低くなってくると、分子の運動が小さくなってきます。
分子の運動が小さくなってくるということは、分子の動きが遅くなって、ある分子とある分子が近くにある時間が長くなるということになります。
そうすると、水素原子と水素原子の水素結合が形成されます。
水分子はOを中心に約120°の角度で水素原子が付いています。
ひらがなの「く」のような感じです。
水素結合は水分子のOからHへの直線の先にそれと水素結合している水のHとOの直線が重なります。
文章であらわすのは難しいのですが、「く」の一辺を伸ばした先に「く」の一辺が重なるといえばよいのでしょうか。
そのため、普通に結晶になるよりもかさ高くなってしまうのです。
参考になったでしょうか。



(9305)  (Re:9296)
Re2:氷の体積
IRON28
2005年02月25日(金) 01時24分

#9296 daijiro74 さん

>その水素がほかの水の水素と作用して結合を形成します。
ほかの水の「酸素」と作用して・・・

>水分子はOを中心に約120°の角度で・・・
孤立水分子なら104.5度、氷中の水分子なら約109度です。
 



(9297)  (Re:9289)
Re:氷の体積
イルカ
2005年02月24日(木) 18時19分

吉田勝豊さん、イルカです。
 学年を教えていただかないと、どの程度まで答えたら良いかわかりません。

> 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。

 固体の金属の構造と固体の水(氷)の構造から考えて見ましょう。
 金属は、パチンコ玉を箱に詰めるようなもので、個体のときは位置が固定されて動きませんが、液体になると自由に動き始めます。そのときパチンコ玉は熱・・運動していますから、温度の上昇によって体積が増えていきます。
 水の場合は、テトラポット(若い人は知らないかな?)のような正三角錐の4つの頂点の二つがプラス、残り二つがマイナスの電気を持っています。そのため、パチンコ玉のように自由に並ぶことはできずに、プラスの頂点とマイナスの頂点が向き合う形で並びます。想像されるようにとても隙間の多い構造になります。
 氷が解けると、自由に動ける水分子がその隙間に落ち込んでしまい、体積が小さくなります。同時に熱運動で相互の距離は遠ざかりますから、4℃付近でその密度は最大になり、その後は温度の上昇に従って体積が増え(密度は減少し)ていきます。

 こちらのサイトに、氷の密度と温度の関係の図がありました。縦軸が密度なので体積とは逆なことに注意してみれば、溶けたとたんに体積が急激にちいさくなるのがよくわかります。



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