氷が水に浮く原理について

氷は、水に浮かびます。

初見で耳にすると、当たり前として捉える人が多いです。

そして氷は、多くの物質とは異なる性質があります。

一般的に同じ物質の固体は、液体に沈んで行きます。

氷が水に浮く原理について

①一般的な物体

液体よりも固体の方が物体を構成している原子間の距離が短くなるので、

固体の密度の方が大きくなります。

そして水は、0℃（度です）で固体（氷です）になると、密度が小さくなります。

さらに水銀は、-38.8℃で液体から固体になると、密度が大きくなります。

液体の中で沈んで行きます。

 

②氷

氷を構成している酸素原子は、2.76Å（オングストロームです）です。

離れた4つの酸素原子に4面体的に囲まれています。

そして氷の配位数は、4です。

さらに水を構成している酸素原子は、平均的に2.8Å離れています。

ちなみに水の配位数は、4.4です。

 

●オングストロームは、長さの非SI単位です。

1Åは、10⁻¹⁰m（メートルです）=

0.1nm（ナノメートルです）=100pm（ピコメートルです）です。

●配位数は、分子及び結晶中の中心原子から見た最隣接原子の数です。

 

氷の平均酸素原子間距離は、2.76Åです。

水よりも短いので、水よりも氷の密度が高くなります。

しかし、水の配位数が氷の配位数よりも大きいです。

結果的に水は、氷よりも約9%（パーセントです）程度密度が高くなります。

つまり、氷の配位数が小さいです。

 

氷が水に浮かぶ仕組みは、隙間が大きい構造をしているからです。

0℃・1気圧の水の密度は、0.99984g/cm³（グラム毎立方センチメートルです）です。

0℃・1気圧の氷の密度は、0.91765g/cm³です。

氷が水に浮く原理について

①水

液体密度は、1.000g/cm³です（温度は、0℃です）。

固体密度は、0.917g/cm³です（温度は、0℃です）。

密度比は、0.917です。

 

②水銀

液体密度は、13.692g/cm³です（温度は、-38.8℃です）。

固体密度は、14.195g/cm³です（温度は、-38.8℃です）。

密度比は、1.037です。

 

③酸素

液体密度は、1.118g/cm³です（温度は、-183℃です）。

固体密度は、1.43g/cm³です（温度は、-183℃です）。

密度比は、1.279です。

 

④窒素

液体密度は、0.808g/cm³です（温度は、-195.8℃です）。

固体密度は、1.03g/cm³です（温度は、-252℃です）。

密度比は、1.275です。