喫茶店に行くとほぼ必ず出てくる水。水には氷が浮いているな。氷が沈んでいるのを見たことがある人はいないでしょう。実は水は特別な物質で、液体よりも固体の方が体積が大きく、密度が小さい。だから氷は水に浮く。
今回はそんな物質と密度の関係について説明する。解説は化学系科学館職員のたかはしふみかです。
ライター／たかはし ふみか
小学生の時、自由研究で氷について調べていたリケジョ。実験大好き仕事大好き職場大好きの化学系科学館職員。
水と密度
コップの水に浮く氷、海に浮かぶ流氷。氷は水に浮かびます。これは皆さんご存知ですね。ではなぜ氷は水に浮くのでしょうか。これは「氷の密度は水の密度よりも小さいから」です。ではまず、密度について確認しましょう。
物質の質量を体積で割ったものをいう。すなわち密度は単位体積当りの質量である。単位としては、キログラム毎立方メートル（kg/m3）、グラム毎立方センチメートル（g/cm3）、ポンド毎立方フィート（lb/ft3）など種々ある。
（引用:コトバンク『密度』）
密度の単位のひとつがg/cm3であることからわかるように、密度とは「1立方㎝あたりの主さは何gか」というものです。その計算式は「質量（g）÷1cm3」で、例えば水はの質量は1cm3あたり1gであり、その密度は1g/cm3となります。水と氷の関係は
水の方が密度が大きい、又は体積が小さい
と表現できるのです。つまり密度が小さいという事は同じ体積だけど軽い、つまり中身がスカスカな状態になります。ちなみに純物質の場合、密度は固有の値となりその物質が何かを特定する手掛かりとなるので、ぜひ確認してみてくださいね。密度についてはこちらの記事も読んでくださいね。
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固体、液体とはどんなもの？
次に水と氷の違いを確認しましょう。ふたつの違いは液体か固体か、ということです。そんなの見たらわかる、と思う人もいるでしょう。では液体と固体は何が違うのでしょうか。ポイントは粒子の並びにあります。
液体とは流動的で形が変わることができる、分子や原子が緩く結びついた状態です。一方固体とは原子や分子が規則的に並んだ、原子や分子がしっかりと結びついて動くことのできない状態のことをいいます。つまりコップを倒すとこぼれる水が液体、硬い氷が固体なのです。さらに水は蒸発すると、気体になります。
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実は珍しい、液体より固体の密度が小さいもの
最も身近な物質の水ですが、実はほとんどの物質で密度は固体＞液体＞気体の順で小さくなります。水のように液体＞固体＞気体の物質は珍しいのです。さらに先ほど純物質の場、合密度は固有のものと説明しましたが温度でも異なります。水の密度が最も大きくなるのは4℃の時なのです。
0℃ 0.999841 g/cm3
3℃ 0.999965 g/cm3
4℃ 0.999973 g/cm3
5℃ 0.999965 g/cm3
10℃ 0.999700 g/cm3
わずかな違いですが、4℃の時が最も密度が大きいのですね。これはなぜでしょうか。ポイントは水素結合です。
＼次のページで「水の密度のポイントは「水素結合」だった」を解説！／
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