質問: 水が凍ると体積が膨張する理由 一般に、物質の状態変化では 温度を上げると物質の体積は膨張し、 温度を下げると縮みますよね。 たとえば、ろうそくを溶かしたり固めたりして 実験できると思います。 しかし、水の場合は、凍らすと膨張します。 高校化学の時間に、それは水特有の性質だ。 と習った記憶がありますが、 どのような性質によるものなのでしょうか。 どなたか、よろしくお願い致します。
回答: 氷の結晶構造を示す図は、様々な本に書かれていますので見たことがあるでしょうね。参考urlにも出ています。 その特徴として、oーh...oが直線上に位置していることがあげられます。ここで、ーは共有結合、...は水素結合を表します。こうした直線構造は、水素結合に由来するものです。 こうなることによって、氷の結晶は対称的な結晶になりますが、oーh...oが直線上に並ぶことによって、結晶に隙間ができることになります。 それに対して、氷が溶けると、oーh...oが直線上に並ぶという制約が弱まってきて、その直線構造からずれやすくなります。結果的に、氷の場合に存在した、分子間の隙間を確保できなくなり、その分だけ体積が減少するということです。 つまり、水の特殊性は、1個の水分子が2個のh原子を持ち、それぞれがoーh...oが直線上に並ぶような水素結合を形成することによって、安定で対称的な結晶となり、しかもその内部に隙間を生じることが原因といえるでしょう。 参考url:http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/crys/ice/lect5.html