氷が溶けると、どうなるのか・・・。

質問

どのカテゴリがいいのかわからなかったので、とりあえず、物理学でお聞きします。

先日、晩酌で、焼酎をロックで飲んでおりました。
酔っていたのか、焼酎をコップいっぱいに注いでしまったのですが、その時、ふと思い立ち、かたわらにいた子供（小学校３年生）にコップを見せ「氷が溶けると、お酒がコップからあふれるかな？」と聞いたところ、「氷が溶けたら水になるから、コップからお酒があふれるよ」と子供が回答。

お酒ではもったいないので、コップに氷を２～３個入れて水をぎりぎりいっぱいまで注いで実験しました。
結果、もちろん、水があふれることはありません。

子供は不思議がって興味津々。

氷の体積分だけ水面を上に持ち上げていて、その体積分だけ水になるということなのですが、このことを小学校３年生の子供に上手に説明できません。

上手な説明方法はないものでしょうか？

回答No.3

パんだ パンだ（@Josquin） · ベストアンサー

水が氷になると体積が増えます（ただし、これは空気が入るためではありません）。
水に浮かべると、増加した体積の分だけが水面より上に来ます（もとの水の体積に当たる分は水面下に来ます）。（これは、アルキメデスの浮力の原理＝押しのけた体積分だけ浮力が生じる、を考えればわかることです。）

説明方法としては、
氷を水に浮かべた絵を書きます。
水の形は上の絵のままに、上の絵から氷を除いた絵（氷の分だけ凹んだ絵）を書きます。
氷が溶けると、ちょうどその凹みの部分の体積と同じになるので、水面の位置は変わりません。

お礼

おぉ！アルキメデスの原理！！
そういえば、昔習いましたねぇ。
小学校３年生に通じるかどうかですが、試してみます。
”氷の分だけ凹んだ絵”は使えそうです。
ご回答ありがとうございました。

回答No.5

burntsienna

あなたはいい理科の先生になれそうですね。

　まず、氷と水の密度の違いをわからせてあげないといけません。
　つまり
1．水から氷になると、重さは変わらず体積が増える。
2．氷が水より軽いから浮く。
をまず理解させることです。1はできれば何らかの方法で実際にそうなることを見せてあげるのが一番ですが、話して教えるならNo.1の方の言い方がよろしいかと思います。

　次に、氷のモデルとして、水を半分くらい入れた風船を使用します。
　水を入れた風船を水に入れたらどうなるか？
　もちろん、風船の中の水と外の水の高さが同じになる高さで浮きますよね。
　次に、風船の中の水を氷にしたとします。
　すると、当然風船全体の重さは変わらず、しかし自ら氷になると体積が増えるので、言ってみれば水の高さよりも氷の高さの方が高い状態になります。しかし、重さは変わらないので風船は水の高さで浮き、氷はいくらか水の高さより高く出てきます。
　これが「氷が浮いている」状態です。
　よって、これの逆方向の反応が進んだとしても、常に風船が浮いてる高さは変わらず（風船が外の水中を占める体積は変わらず）、氷が溶けても外の水の高さが変化することはない。

　と言った説明ではどうでしょうか。紙に絵を書きながらくだいて説明すれば解かる……と思います。

　蛇足ですが、すぐに答えを教えるのではなく、「何でだと思う？」とお子様に考えさせてみるといいと思います。私も父によく考えさせられました。答えはもらうものではなく、自分で探し出すものだと知ることは、きっとお子様にいい影響を与えます。

お礼

理科の先生は、チョット無理。昔から算数、理科は大の不得意。
氷が浮いている状態を説明するのが難しいですよね。
風船は思いつかなかったアイデアです。参考にいたします。
子供には極力実験させるようにしています。親の説明能力不足というのもあるのですが、自分でやってみて理解してほしいという思いもあります。
ご回答ありがとうございました。

回答No.4

noname#13741

水のペットボトルを買ってきて凍らせましょう
前後で重さや体積を測ればより効果的ですが
小学校３年生なら感覚だけでも同じ重さで体積がふえたのを納得するでしょう
凍らせたときもれないように気おつけてくださいね

お礼

ご回答ありがとうございました。

回答No.2

ohirune_neko

表面張力を子どもに教える、ってことでしょうか？

・どんなもの（物質）も、小さな分子でできている。水も同じ。
　水をどんどん小さく分けていって、目に見えない分けられない小さなものが分子。
・一滴水をたらしたのをみれば、丸く盛り上がっているのがわかる。
　これは分子が簡単に離れないよう、それぞれが一生懸命くっついているということ。
・氷が解けて量は増えた。
　でもコップの表面見盛り上がり、その分子が離れないようがんばっている。
　だからこぼれない。

こんな感じでどうでしょう？^^;

付け加えて、
・固体（氷）はもっとがっしりくっついているから、固まりになっている。
・気体（水蒸気）は、あんまりしっかりとくっついていないから、飛んでいってしまう。
・暑くなると気体（見た目軽く）になり、冷たくすると固体（見た目重く）なる

少々間違っている点もありますが、子どもに教えるならこれくらいでよろしいのでは？
不具合があっても関知はできませんので、ご了承ください^^;

お礼

表面張力ではなかったのですが・・・。説明の仕方が悪かったですね・・・。
ともかく、ありがとうございました。

回答No.1

o24hi

こんにちは。

　物質の体積が小さくなるのは、分子と分子の間が小さくなるからです。通常の物質はどんどんちいさくなるので、体積が小さくなり、固体になる際にくっつくくらいに整然と並んで固まるので、体積が小さくなります。

　ところが水は、氷になる際に、整然とならぶというより、隙間をあけて並ぶようになります。正四面体（ピラミッド型）の形に並ぶわけです。なぜそのようになるかというと水素結合の特長によるものです。

　したがって水も温度がさがると、だんだん分子間がちかくなりますが、５℃くらいから隙間を空けて固まり始めます。そして４℃のときに、分子間が近くなるのと、隙間をあけて構造化が始まるのとがちょうど相殺されて、一番体積が小さくなります。それ以後は、隙間を空けた構造の効果が大きくなり、全部が氷になったころには体積が４℃よりはおおきくなるわけです。

　ですから、お子さんには、
「水か凍りになる時は、目には見えないけど、氷の中には隙間がいっぱいできるんだよ。隙間の中には空気が入っているんだ。だから、水を凍らせると元の水の量より膨らむんだよ。冷蔵庫の製氷機の中の氷が少し盛り上がっているのを見た事ないかい。
　溶ける時はその逆で、隙間にあった空気がコップから出ちゃうから、氷の大きさより溶けた水のほうが量が少なく成っちゃうんだ。だからあふれないんだよ。」
位でどうですか?

http://www5a.biglobe.ne.jp/~imaseki/hyougyou/hyougyou.htm#Q4

参考URL：

http://www5a.biglobe.ne.jp/~imaseki/hyougyou/hyougyou.htm#Q4

お礼

ご回答ありがとうございました。
子供には、氷がコップに入っている状態と溶けた状態の違いがわからないようです。
”溶ける時はその逆で～”は使えそうです。
ありがとうございました。