水はなぜ固体の方が密度が小さいの？

ひろろ「物質は『固体』『液体』『気体』の三態があります。密度は普通『固体』が一番大きく『気体』が一番小さいです」

ひろろ「ただし例外があります。それもごく一般的な物質である『水』なんですよ」

生徒「どういうこと？」

ひろろ「水は『液体より固体の密度が小さい』んです」

生徒「あ、氷は水に浮くもんね。でも、なんで？」

ひろろ「それは分子が関係してきます。中学生の間はあまりやらないんですが、参考程度に聞いてください」

生徒「はーい」

★『固体』『液体』『気体』とは？
ひろろ「そもそも『固体』ってなんでしょう？『液体』は？というところから始めます」

ひろろ「この世の物質はすべて原子、または原子がくっついた分子というもので出来ています」

生徒「それは１年でやるよね」

ひろろ「はい、物質の三態というものですね。これら分子の状態が違うのです。これを見てください」

ひろろ「『固体』は分子が互いにくっついて固まっている状態ですね」

ひろろ「『気体』は分子が自由に飛び回っている」

生徒「固体は詰まってるね。だから密度が高いんだ」

ひろろ「その通り、では『液体』はっていうとその中間みたいな感じですね」

生徒「なるほどー、確かにどんどん詰まっていくよね」

ひろろ「そう、だから一般的に『固体が一番密度が大きい』のです」

★固体の水が液体の水より密度が小さいのは？
生徒「じゃあ、なんで氷の方が水より密度が小さいの？」

ひろろ「その理由は『水分子』の形と性質にあるんだ。まず分子の形はこんな感じ」

ひろろ「で、水が固体、つまり氷になるときは規則正しく分子が並ぶんだけど、このときしっかりと分子を固定しないといけないんだ」

生徒「バラバラになっちゃうもんね」

ひろろ「高校の授業では『水素結合』とかいうんだけど、接着剤だと思っといてくれたらいいよ。そして、くっつけ方も決まっているんだ。図にするとこんな感じ」

生徒「きれいに並んでるね」

ひろろ「そして、これが液体の状態の図ね」

生徒「隙間に入っていってる？」

ひろろ「そう、液体の時は接着剤使わずにぬるぬる動いてると考えて」

生徒「さっきよりも詰まって見える」

ひろろ「だから『密度が大きい』ということになるんです」

ひろろ「ちなみに『気体』のときはこんな感じね」

ひろろ「これが、『固体の水の方が密度が小さい』理由なんだけど、みんなは『水は例外で固体の方が密度が小さい』と覚えておけばいいよ」

生徒「はーい」