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氷が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? この質問への答えには 2 つの部分があります。まず、何かが浮く理由を見つけます。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ます。
氷はなぜ浮くの？
混合物中の他の成分よりも密度が低いか、単位体積あたりの質量が小さい場合、物質は浮きます。例えば、水の入ったバケツに一握りの岩石を落とすと、水に比べて密度の高い岩石が沈みます。岩より密度の低い水は浮きます。基本的に、岩は容器から水を押し出すか、移動させます。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) の温度で最大密度に達します。寒くなると凍って氷になり、実際には水よりも密度が低くなります。ほとんどの物質では、密度は固体 (凍結) 状態で増加します。つまり、通常、液体状態よりも密度が高くなります。水は、水素結合のために異なります。
水分子は、1 つの酸素原子と 2 つの水素原子が共有結合によって強く結合して構成されています。水分子は、水素結合と呼ばれる共有結合よりもはるかに弱い化学結合によっても互いに引き付けられます。この引力は、正電荷を持つ水素原子と、負電荷を持つ隣接する水分子の酸素原子との間で発生します。水が 4 °C 未満に冷却されると、水素結合が再配置されて、負に帯電した酸素原子が離れた状態に保たれます。これらすべてが、一般に氷として知られる結晶のネットワークを生成します。
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 リットルの水の重さよりも軽くなります。重い水が軽い氷に取って代わり、氷が水面に浮きます。この結果の 1 つが湖や川で見られ、上から下に向かって凍結し、湖の表面が凍っていても魚は生き残ることができます。氷が沈むと、水が地表に移動し、より低い気温にさらされ、川や湖が凍結します。
重水の氷が液体の水に沈む
ただし、氷の形または固体状態のすべての水が通常の水の表面に浮いている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、普通の水に沈みます。このタイプの水でも水素結合はまだ発生しますが、通常の水と重水の間の質量の違いを補うのに十分な数ではありません. したがって、重水の氷も液体の水に沈みます。
