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氷
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間違っているかもしれませんけど、簡単に、なぜ水が4度付近で体積が最も小さいかについて。 水に限らず、固体の時は分子が(自分の居場所から)ほとんど動かずに、それぞれの分子がゆらゆら揺れています。(温度が低いほど、揺れない) 温度が高くなると、揺れが大きくなって、液体になると、自分の居場所から離れて自由に動いていきます。 温度が高くなると、激しく揺れてたくさん動こうとしますから、基本的には、温度大で体積大、温度小で体積小です。 固体、液体、気体に限らず、普通の物質はこうです。 水はやや特殊で、液体になって、自由に動いているときは、ほかの分子と結構近い距離にいたりするのですが、 固体(つまり氷)の時の分子の居場所は、ほかの分子から距離が離れています。 つまりはこの差が、体積の差です。 水の時は分子はお互いが結構近いところにいるのに、4℃より低くなって、氷になると、固体の時の分子の居場所(距離が離れている)に移動します。 このときに体積が膨張します。 もしかなりの圧力で押さえつけて、冷やせば、体積が膨張しないまま、たぶん少しだけ低い温度まで水のままで(水の温度-圧力状態図の固相-液相線が左に傾いているから)、それから完全に凍るでしょうけど、むちゃくちゃな圧力が必要じゃなんじゃないかと思います。 なにせ、岩石を砕く氷の力ですから。 高圧実験施設でやってみるとどうなるか、おもしろそうですねぇ。
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- cocksan
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>ただ、４℃で水の体積がもっとも大きくなるというのが 逆です。4度で最も体積が小さくなります。 http://skura.hp.infoseek.co.jp/pic/r404035b.gif もう一度よく見てください。 4度のところで体積が一番小さくなってるのが分かると思います。（つまり4度の水が一番密度が高い＝重い） 池の表面の水温が0度でも池の底の水温は4度程度に保 たれている理由も分かると思います。 それが何故か？という質問には残念ながら私では力不足です。 話としては聞いたことはあるんですが、 それがどのようにして算出されたのかはよく知らないです。 温度を上昇させながら水の体積と重さを測定するような 実験をすれば求まるとは思いますが・・・ 理論的にはどう説明するのかはイマイチです。
- cocksan
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膨張しない容器に完全に水を満たして密閉する。 ということを前提にしているようなのですが、 これ自体結構な問題です。 http://skura.hp.infoseek.co.jp/pic/r404035b.gif この図を見てもらうと分かりますが温度によって 水の体積は変わります。つまり、何度の水で最初に 容器を満たしたかってことが意外と重要だったりします。 まぁ、そんなことを言ってても始まらないので 勝手に0度、1気圧で水を満たしたとして話をします。 水→氷に凝固すると体積が増えますが、一気に凍るわ けではなく、ちょっとずつ凝固していきます。 最初の状態から冷やす＝熱を奪うと、水は少し凝固 して（氷になって）その融解熱に相当するエネルギー を放出して温度を一定に保ちます。 （水が凝固している間は温度が一定という状態。沸騰 とか融解のときもそうですね） このとき水→氷となったので体積が少し増えなければ なりませんが、容器の大きさが一定なので増えること が出来ません。結果、圧力が増加し、増えた分の体積 を押さえ込む形になるわけです ここでさらに冷却すると一部が氷になって＞体積が増 えて＞圧力が増加してこれを押さえ込む＞・＞・＞ ということか繰り返されていくわけです。 この図↓で言えば0度1気圧の所から上方向に向かって いく感じです。 http://www.conpro.net/readings/water/image/img0005.gif 全部が凍った所で始めて左側へ進む。 結果、とんでもない圧力の氷が出来上がることになります。 圧力が高いということは単位体積あたりの粒子数が 多いということなので、粒子＝水分子の数が多いとい うことは密度が大きいということです。密度が大きい と、同じ体積の1気圧で凍らせた普通の氷に較べれば 重くなります。 これがpoor_Quarkさんの言っている重い氷が出来ると いう意味です。 ちなみに1kg(or1リットル)の水を1気圧で凍らせた場合 と、この条件で凍らせた場合の重さは変わりませんの でその点は注意してください。
お礼
回答ありがとうございます！！ 「重い氷」の意味もよくわかりました。 ただ、４℃で水の体積がもっとも大きくなるというのが なぜなのかきになってきました。。
- poor_Quark
- ベストアンサー率56% (1020/1799)
水は思いの外縮みやすい物質です。ご存じの通り水の分子式はH2Oで一個の酸素原子と2個の水素原子から構成されており、水素原子は酸素原子に比べてずっと小さいので水分子の形を球とモデル化して考えると、一個の水分子の周辺には12個の水分子が取り囲む形が想定されます。しかし実際X線で調べてみると平均4.5個の分子しか存在していません。ある試算によると水が全く縮まない物質であったなら、海面は今より40m上昇するそうです。 水を膨張できない容器に入れて温度をどんどん下げていくと重い氷ができます。比重の最大値で零下50℃、25000気圧という環境下で1.66g／cm3となるそうです。膨張率から圧力を計算したわけではありませんが、この十分この範囲に入っているものと思います。 講談社ブルーバックス「水とは何か」（上平恒著）
お礼
回答ありがとうございます！ 水が縮むものだとはしりませんでした！！中学校の先生に「空気は体積が収縮するけど水は収縮しない」と言われて以来それを信じきっていました！勉強になりました。
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補足
すみません書き間違えでした。。 「密度が高くなる」とまちがえてしましました。。