氷はどうして水に浮くのでしょうか？

質問

小学３年生の子が、氷はどうして水に浮くのかを不思議に思っています。
３年生に分かりやすく説明したいのですが、よろしくおねがいします。

回答No.8

Le-Livre

順々に説明していきます。

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普通、ものは温度が低くなると小さくなる性質があります。逆にいえば、温度が高くなると大きくなるんです。

身近（？）なものでは、線路（レール）があげられます。
夏のとっても暑い日、レールがグニャッと曲がってしまったというニュースを見たことはありませんか？
どうしてレールが曲がってしまうのでしょうか。
夏の日差しに地面や空気が高温になります。そしてレールも徐々に温められていきます。すると、レールは少しずつ大きくなっていくのです。しかし、ある程度までは問題は起こりません。レールとレールの継ぎ目には、少しだけ空間ができていて、レールが少しくらい大きくなっても、大丈夫なようになっているのです。しかし、あまりに大きくなりすぎると、最後にはその空間も完全に埋まってしまって、大きくなり続けるためにレール同士が押し合って、最後には、それに耐え切れず曲がってしまうのです。

この現象を例に、ものというものは温度が上がると大きくなるということが分かると思います。

もちろん水の場合もこのことは当てはまります。

氷も冷やしていけばどんどん小さくなりますし、水もあたためればわずかに膨脹します。

また、固体・液体・気体の間では、もっと大きな変化が起こります。
固体は「もの」の素（原子や分子）が手を取り合うようにぎゅっとひとつに固まって小さくなっています。
液体は少し手をつなぐくらいで、「もの」の素は割と自由に動くことができます。
気体は完全に手を離してそれぞれが自由な方向に動くことができるようになるのです。
ですから、ひとつのところに固まっている固体より、自分勝手に好きなところへ行ける、気体とでは、「もの」の素を同じ数だけ集めたとき（同じ重さだけ集めたとき）、大きさ（体積）が違ってくるのです。

しかし、水⇔氷の間には、温度や固体⇔液体間によって大きさが変わることよりも、もっと大きな働きがあるため、氷の温度のほうが低いはずなのに大きくなってしまうのです。

それは、雪の結晶から考えると分かりやすいのではないでしょうか。
雪はどのような形をしていますか。大抵は６角形ですね。水や氷をつくる素（水分子）は変わった形をしていて、雪のように水の素がたくさんくっつくと６角形になってしまうのです。そうしないと、くっつきにくいのです。

氷でも同じことが起こっています。ふつうはみんなが手をつないでギュッと固まっているはずなのですが、水の素が変わった形をしているのでうまく手をつなぐことができないのです。凍ってしまう前にできるだけ手をつなぎやすいように移動していくのです。すると、結果的に小さな空間ができてしまうのです。
そうすると、もともとは水と同じ重さ（1cm^3あたり）だったものが、凍ってしまうことによって、小さな空間がたくさん入り込んでしまい、水よりも軽くなってしまうのです。氷の中に浮き袋（その他浮き輪など）があるようなものです。空気を抜いた浮き輪は水の中に沈んでしまいますが、浮き輪に空気を入れると浮かんでくるでしょう。それと同じです。

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こんな感じの説明でどうでしょうか。
参考になれば嬉しいです。

お礼

ご丁寧な回答ありがとうございました。
分かりやすく説明してあって、大変参考になりました。