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水だけが固体になったときに体積が液体のときよりも大きくなるのはなぜですか?

rxwyy017さん

2007/8/416:19:35

水だけが固体になったときに体積が液体のときよりも大きくなるのはなぜですか?

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bbbbb_and_bさん

2007/8/418:18:48

氷の体積が水より大きくなるのは気泡を含むためではありません。
確かに家庭の冷蔵庫で作る白っぽく濁った氷は、中に空気を含んでいるために不透明になっているのですが、氷屋さんの氷のように透明で綺麗な本来の純粋な氷は気泡なんて含んでません。純粋に水、すなわちH2Oだけの結晶です。純粋な氷でも水より体積は大きくなります。

普通の物質は個体になると体積が減るのに、水の場合は体積が増えるのには、「水素結合」と呼ばれる水分子独特の力が関係しています。水の分子は酸素(O)1個と水素(H)2個から成り立っていますが、その形は「へ」の字のように曲がっています。すなわち、水素が片側に偏っているんですね。そのため分子の中に電気的に+が強い側(水素側)と-が強い側(酸素側)を持っています。この分子の+と別の分子の-がお互いに引き合う力が水素結合です。

この水素結合という性質があるために、水は液体の状態でも1個1個の分子が完全にバラバラではなく、何となくいくつかずつ繋がった状態で存在します。この繋がりをクラスターと言います。この繋がりがあるために、水は他の化学的性質が似た親戚の分子、例えば硫化水素(H2S:分子量34、融点-82.9℃、沸点-59.6℃、常温で気体。)などと比較してはるかに高い融点=0℃と沸点=100℃になり、常温で液体になってます。これは水素結合を引き離す為に他の分子に比べて余計にエネルギーが必要なので融点も沸点も高いのです。硫化水素も水と同じようにへの字形の分子なので水素結合が全く無いわけではないのですが、硫黄の原子の方が酸素の原子より大きい分、分子に対する水素結合の影響が小さく、水ほどはっきりした水素結合の特徴は見られません。

水が氷になる時には、この水素結合のために酸素と水素が互い違いに繋がって輪を作るような独特な結晶構造となります。そのため輪の中に空間(何も無い空間です。空気は入ってません。為念。)が出来る分、体積が大きくなります。(なぜそのような結晶構造が安定なのかは大学レベルになってしまうし、私も化学が専門ではなく嘘を書くとまずいのでここでは詳しくは触れません。)

より正確なことが知りたい場合は、水分子の水素結合について勉強して下さい。

質問した人からのコメント

2007/8/4 20:31:06

驚く 正体は水素結合だったんですね!
すばらしい回答ありがとうございました!

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ベストアンサー以外の回答

1〜1件/1件中

編集あり2007/8/420:01:33

まず水だけが体積を増やします。氷の分子は水よりも隙間だらけで、分子と分子の間には沢山 気泡があります。=すかすかなんですね。これをもって 氷は水に浮かぶんです。他の(水以外の)液体は分子を引き締めて気体を追い出し固定させる事で体積が減ります。 つまり、水は 特別気泡が 他の液体よりも多い=隙間ができて 大きくなるということです。 これは あくまで家庭内の冷凍庫での話しで 氷屋さんなどで 売られている透明(カクハンしながら作る)氷の場合では ありません。

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