液体を凍らせる実験

質問

自由研究で、「なぜ液体を凍らせると体積が増えるのか」
ということについて実験します。
実際に凍らせてペットボトルがパンパンになったまではいいのですが、
ネットで色々調べてみても、なかなか理由についてがわかりません。
なぜ、凍らせると増えるのでしょうか？
空気が関係しているのでしょうか？
詳しく説明できる方いらしたらお願いします。

回答No.1

rmz1002 · ベストアンサー

自由研究ということで、ヒントだけ回答します。

「液体時の分子密度より、固体（凍結）時の分子密度が低いから」です。

後は自分で調べてください。

※ ちなみに、自分の記憶では「液体より固体のほうが体積が増える」のは「水」くらいで、他の液体は「固体のほうが体積が少ない」はずなんですが・・・。

回答No.6

SortaNerd

多分もう遅いとは思いますが…

＞なぜ液体を凍らせると体積が増えるのか
水を、ですね。他の液体、例えば油は凍っても体積は増えません。
理由ですが、空気は関係していません。おそらくあなたには分かりませんのであきらめてください。
(注：「自由研究」ということで小中学生と判断しました)

No.4のapple-manさん、完全に間違っています。
水素結合はおもに固体中で働くものです。また水は氷になろうと共有結合ではありません。
結合の強さと体積は関係あるのかもしれませんが、少なくとも水の場合原因は違います。

水が凍って体積が増える理由を説明します。
水は水素が２つあるのでそれぞれが水素結合しています。なおこれはいわゆる「結合の手が２本ある」というやつとは少し違い、「水素結合"する"手が２本」、水素結合「される」方には手はいりません。
この特性により、固体中の水は２本の腕を出し、別の２個の分子からの１本づつの腕でつかまれている状況です。
この状態で出来る形は６角形を基調にした形というよりは、かご型に入り組んだ形です。ダイアモンドと同じ配置なので、見たければ下記URL参照。
このかごの中に隙間があるため体積が増えるのです。
H2Sとかはどうなんでしょうね…。

参考URL：

http://www.uwgb.edu/dutchs/GRAPHIC0/ROCKMIN/ATOM-STRUCT/Diamond3.gif

回答No.5

nozomi500

自由研究のネタとして、まず凍らせてから理由を探す、というのが、「研究」としては間違いだと思うのですが。

理由を調べることと、ペットボトルを凍らせることの関連が見えません。
水の結晶（氷）は、水分子が６角形を基本にした形で「すきま」のあるつながりで固まるので、体積が増えるのですが、分子レベルの観察はできませんからね。

理由がわからなくても、
「水を凍らせると体積が増えることがわかった」
「では他のものを凍らせるとどうなるか？」
「他のもの」：ビール、牛乳、サラダ油、洗剤・・・・
（家庭用冷凍室で凍らなかったら『凍らなかった』という結果を書いても立派な研究）

回答No.4

apple-man

うる覚えで正に自信なしなんですが、
多分水素結合が利かなくなるのが
体積が増える原因だと思います。

　液体を凍らせると体積が増えると
いうのは一般的な事ではなく、
水が例外的なはずです。

　液体のうちは分子がばらばらになって
運動しているので、多くの場合は
このほうが体積が固体のときより
大きいはずなんです。
　液体でなおかつ温度が高いほうが
体積が増え（つまり比重が小さく
なるので）暖かい水ほど上に行く
性質があり、沸騰するヤカンの中
などでは対流が起きます。

　温度が上がれば体積が増えるのですから、
この傾向で行けば、温度が低いほど
体積が小さくなり、固体のほうが
体積が小さくなるはずです。

　でも水の場合、水素結合という力
（この力がけっこう強いんです）が
水の分子間に働き、この影響でかなり
体積が小さくなっています。

　この水素結合ですが、液体のときに
しか働かず、さらに固体になると
共有結合（だったかな）という別な
結合に代わり、この共有結合の力が
水素結合の力より弱いんで、体積が
増えてしまうんです。

　ちなみに4℃の水の体積が一番小さい、
つまり比重が一番大きいので、
凍った池の底に凍らない水が
残るんで、金魚やコイは死なない
んです。

　氷河期に水中で生物が生き残った
理由もこれだと言われています。

　水の体積って、けっこう重要なん
ですね。

回答No.3

nich

おそらく水のことを言っているのでしょう。

ヒントは、水と氷の構造にあります。
自由研究、ということはもしかして小学生か中学生ですか？分子構造、とか言っても分からないかな…

なぜ水を凍らせると体積が増えるのか、というのは大学入試の世界では頻出のテーマなんですけどね。一応参考HPの化学解答例第一問の(7)に答えはありますが、これを見てもチンプンカンプンでしょうから、自分で補足するなりしてみてください。

参考URL：

http://hiw.oo.kawai-juku.ac.jp/nyushi/honshi/03/t02.html

回答No.2

rmz1002

No.1です。

先ほどの回答の中で「水以外は体積は減る」と書きましたが、
もしかしたこの実験、「水」以外は「牛乳」とか「コーヒー」とかなのでしょうか？
その場合は「水+何か」なので、「体積は増える」ですね。

※ 「液体酸素」とか「液体窒素」とか連想していました。