氷と水の密度

イラストはグレイス・キム。ソートカンパニー

氷は、ほとんどの固体のように沈むのではなく、水の上に浮くのはなぜですか?この質問に対する答えには 2 つの部分があります。まず、何かが浮く理由を見てみましょう。次に、氷が底に沈むのではなく、液体の水の上に浮く理由を調べてみましょう。

氷が浮く理由

混合物中の他の成分よりも密度が低い、または単位体積あたりの質量が小さい場合、物質は浮遊します。たとえば、一握りの石を水の入ったバケツに投げ入れると、その石は 密集 水に比べて沈みます。岩より密度の低い水は浮きます。基本的に、岩は水を押しのけたり、押しのけたりします。物体が浮くためには、自重と同じ重さの液体を押しのける必要があります。

水は 4°C (40°F) で最大密度に達します。さらに冷えて氷になると、実際には密度が低くなります。一方、ほとんどの物質は、液体状態よりも固体 (凍結) 状態で最も密度が高くなります。水は次の理由で異なります。 水素結合 .

あ 水分子 一つの酸素からできている 原子 と 2 つの水素原子が互いに強く結合し、 共有結合 .水分子は、弱い化学結合によっても互いに引き付けられます ( 水素結合 ) 正に帯電した水素の間 原子 そして負に帯電した 酸素原子 隣接する水分子の。水が 4°C 未満に冷却されると、水素結合が調整されて、負に帯電した酸素原子が離れた状態に保たれます。これにより、一般に氷として知られる結晶格子が生成されます。

氷が浮くのは、液体の水よりも約 9% 密度が低いためです。言い換えれば、氷は水よりも約 9% 多くのスペースを占有するため、1 リットルの氷は 1 リットルの水よりも重くなりません。重い水が軽い氷に取って代わり、氷が上に浮きます。この結果、湖や川は上から下まで凍りつき、湖面が凍っても魚は生き残ることができます。氷が沈んだ場合、水は上部に移動し、より低い温度にさらされ、川や湖が氷で満たされ、固く凍ることを余儀なくされます.

ヘビーウォーターアイスシンク

ただし、すべての水の氷が通常の水に浮かぶわけではありません。水素同位体である重水素を含む重水で作った氷は、 普通の水に沈む .水素結合は依然として発生しますが、通常の水と重水の間の質量差を相殺するには十分ではありません.重水の氷は重水の中に沈みます。