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水が4度で密度が最大になる理由は何ですか?

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質問者

yaxtutaaaaaさん

2010/8/2214:52:37

水が4度で密度が最大になる理由は何ですか?

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回答数:
2

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ベストアンサーに選ばれた回答

編集あり2010/8/2306:49:19

まず、水が固体、液体、気体となりますね。
(当然標準状態、不純物はないものとして回答します)
一般的に、固体になればなるほど、密度が上がるので不思議ですよね。
つまり、通常にある同量な物質で比べると、エネルギーを持って活発に動き回れる順、
固体>液体>気体
の順に密度が大きくなります。
続いて、水の大まかな密度の大きな順を書くと、
固体□液体>気体
です。
また、同じ質量の場合は、密度は、その時取る体積が大きくなれば、逆に密度は小さくなりますね。

さて、何がこの□を確定できない理由になるかを考えてみましょう。
これを狂わせるのが分子結晶のでき方と水素結合です。
水の場合、水素結合という特別な結合を液体と固体の場合は
行っていることが知られています。
まず固体ですが、水を満たしたペッドボトルを凍らせると明らかですが、
それを外側の注意書きに「行わないでください」と書かれている理由でもありますね。
凍らせてしまう(凝固させる)と液体よりも膨張してしまいます。
これは、水素結合により、水分子同士がある程度規則正しく結合するため、
その分隙間の多い、多少不自由な形で固体となります。つまりあの雪の結晶のような美しい形をとるのと引き換えに、
ずいぶんと場所や隙間を取ってしまいます。
したがって、これが液体よりも密度が相対的に下がってしまう(体積は大きくなってしまう)原因となります。
しかし、これが液体になると、0度である程度流動性を持ち、ある程度移動ができるようになりますよね。
これが水(液体)の状態です。
ところが、水の状態でも、水分子は、ある程度の数をもって結晶だったころのままかのように、水素結合しています。
言い換えれば、水なのに、融解直後くらいの温度で水素結合による水分子の結晶が流動性が出る程度くらいにくっついているのです。
しかし、このまま温度を上昇させると、今度は水素結合をも切り離すだけのエネルギーを持ち、これに伴って水素結合が次第に切れ始めます。
そして、100度となったときに蒸発(気化)が起これば、これは水分子の分子間力が完全になくなり(実際はこれらの力が働きますが、説明上、ここでは一応言い切っておきますね)、自由に動けるようになった状態と言えます。
ということは、温度が上がれば上がるほど水素結合が崩れ、
ファンデルワールス力も切り離せるだけの状態となったもの、総合して分子間力から解放された水分子、それが水の気体です。

これを総合的に考えると、分子結晶の固体が崩れて、水素結合もある程度切り離され、
水が自由に動き回るようになる運動を持つだけの熱量を持って、結晶が崩れ始めるのが4度で密度が最大となるわけです。

縦軸に密度(上>下)と、横軸に温度(左<右)のグラフを書くと、ほぼ横ばい右上がりで、0度でまだ結晶の結合の組織が、いわばもろい状態でくっついているような感じで、最大とならず、4度で最大となり、その後は水素結合が外れて、自由に動き回りやすくなり、水自体が運動し始め、温度が上がれば、密度は小さくなり、体積は上昇するということになります(グラフの密度の大きさグラフは右下がりとなる)。

質問した人からのコメント

2010/8/26 18:48:54

降参 細かい説明ありがとうございます!!

テスト範囲だったので助かりました

ちょい足しを取り消しますが
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un_o15さん

2010/8/2216:08:59

1.基本的に温度が低い方が密度が高くなります。
2.温度が下がりすぎると、水分子間に働く水素結合のネットワークが壊れて密度が大きくなります。この境目が4℃です。
3. 1.2.より、水素結合ネットワークが生きていて、なおかつ温度が一番低い4℃が、水の密度の最大値になります。

ちょい足しを取り消しますが
よろしいですか?

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