コップに注いだ麦茶へ、氷がぷかりと浮かんでいます。
あまりに見慣れた光景で、普段は気にも留めません。
たいていの物質は、冷えて固まると液体のときより重く沈みます。
水だけが例外で、凍った自分の上へ氷をふわりと浮かべてしまう。
氷が水に浮くという当たり前の裏側には、いったい何が隠れているのでしょうか。
「固体は沈む」がふつうなのに
まずは、水がどれほどの変わり者なのかという話から。
物質の多くは、温度が下がるほど縮んで密になります。
液体が固体へ変わるときも、粒どうしがぎゅっと詰まり、体積は小さくなるのが普通の姿。
だから固まったかたまりを、もとの液体へ戻すと底へ沈みます。
溶けたロウソクのロウを思い浮かべると、腑に落ちるかもしれません。
固まったロウは、液のロウの中でゆっくり沈んでいく。
ところが水は、この「固体は沈む」という常識をあっさり裏切ります。
そして氷は、水の上に顔を出したまま浮き続けるのです。
同じ物質なのに、固体と液体で重さの順番が入れ替わってしまう。
ここに、水という物質の少し変わった一面が見えてくるのです。
水が凍ると体積が増えるからくり
氷が浮く理由は、たった一つの事実に行き着きます。
水は凍ると体積がふくらみ、同じ重さのまま密度が小さくなる。
まわりの水より軽くなったものは、押しのけた水に支えられて浮かびます。
つまり氷は、自分がどけた水の重さのぶんだけ、水面へ顔を出すのです。
このからくりは、海に浮かぶ大きな氷山でも、台所のコップの氷でも変わりません。
なぜ凍ると体積が増えるのか
ここで「そもそも、なぜ凍るとふくらむの？」という声が聞こえてきそうです。
カギをにぎるのは、水の分子どうしを結ぶ水素結合という弱い力。
液体のうちは、分子が自由に動き回り、たがいにすき間なく寄り集まっています。
ところが凍る段階になると、分子は水素結合で規則正しく手をつなぎ、結晶へと整列していく。
その並び方が、六角形を基本にした、すき間の多い骨組みになるのです。
だから固まった氷は、液体の水よりもかさばって、密度が下がるというわけです。
「満員電車の混雑が、整列した行列になって広がる」と考えると、腑に落ちるかもしれません。
数字で見ると、どれくらい軽い？
軽さの度合いは、具体的な数字を並べるとはっきりします。
同じ体積で比べたとき、水の重さを1とすると、氷はおよそ0.91ほど。
つまり氷は、水よりおよそ1割も軽いことになります。
水という液体そのものにも、じつは面白い癖が隠れているのです。
いちばん縮んで密になるのは、0℃ではなく約4℃のとき。
正確には3.98℃で、そこから冷えても温まっても、水はわずかにふくらみます。
そして0℃で凍って氷に変わると、体積はさらに大きく増えるのです。
「浮く氷」が守っている風景
この小さな性質は、じつは地球の生き物を大きく支えています。
冬の湖や池を、少し思い浮かべてみてください。
水面から冷えていくと、まず表面にうすい氷が張ります。
その氷が軽いおかげで、フタのように水面へ残り、下の水を外気の寒さから守ってくれるのです。
もし氷が重くて沈む物質だったら、湖は底から凍りつき、魚も水草も逃げ場を失っていたはず。
氷が浮くという性質が、水の底で暮らす生き物の冬を守っているわけです。
台所や水道管で出会う「氷の力」
暮らしの中でも、水がふくらむ力はときどき顔を出します。
ペットボトルの飲み物を凍らせて、パンパンにふくらませてしまった経験を持つ人も多いはず。
あれは、凍る水が容器を内側から押し広げる力のしわざなのです。
その力はとても大きく、水道管や瓶さえ内側から割ってしまうほどで、およそ2,000気圧に達するとも言われます。
これは水深2万メートルの海の底に匹敵する強さで、ふだんの容器では到底受け止めきれません。
冬の朝に地面を持ち上げる霜柱や、岩を少しずつ砕く風化も、もとをたどれば同じ氷の力。
数字を添えた実験は、ニチレイ「氷の実験室」でもやさしく紹介されています。
最後に
氷が水に浮くのは、あまりに身近すぎて見過ごしがちな出来事です。
けれど、その裏には「水は凍るとふくらむ」という、水だけの変わった性質が横たわっています。
当たり前に見える現象ほど、理由をたどると世界の仕組みが顔を出す。
コップの氷ひとつからでも、話は密度や分子のつながりまで広がっていく。
身近な「なぜ」を放っておかず、ときどき立ち止まって眺めてみる。
そんな小さな寄り道が、日々の景色を少しだけ面白くしてくれます。
以上です。
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