氷の実験室 食用油を凍らせてみよう
氷の重さを考える(3)

実は、地球上にあるほとんどの物質は、液体から固体に変わるとき、体積が減ります（密度が高くなる）。水のように固体になったときに体積の増える物質は、ビスマス（Bi）などごく少数しかないんですね。水や氷は私たちにとって最も身近なものですが、実は非常に特殊な物質なのです。この特殊性は、水分子同士の間に働いている「水素結合」の働きが大きな要因です。水分子は１個の酸素原子（０）と2個の水素原子（Ｈ）が結合してできた化合物で、写真① のような構造をしています。水分子のＯ－ＨとＯの間に働いているのが、水素結合です。
１個の水分子は、写真②のように４つの水素結合をつくることができます。この水素結合のために、水は分子量などの似た他の化合物に比べて、分子同士の結びつきが強くなり、沸点や融点が非常に高くなっています。

氷の結晶構造について、簡単に説明しましょう。
パチンコ玉など同じ大きさの球を、箱の中にできるだけすきまのないように詰めると、それぞれの球は12個の球に囲まれます。銅や亜鉛、銀などの金属は、このような結晶構造になっています。
それに対して氷の結晶では、それぞれの水分子は、正四面体の頂点に位置する４個の水分子に囲まれています。銅などの金属結晶と比べると、かなりすきまの多い構造といえますね。
この氷が溶けて水になると、水分子の熱運動が激しくなって結晶構造の一部が崩れ、結晶のすきまに水分子が入り込みます。水の構造は固定ではなく常に形を変えていますが、平均すると、それぞれの水分子は4.4個の水分子に囲まれています。0.4個分水の方が氷より密度が大きいので、氷は水に浮かぶのです。
もしも、氷が水よりも重かったらどうなるでしょう？　例えば、池や湖などの表面で凍った氷は、どんどん底の方に沈んでいき、全体が凍ってしまいますね。そうすると、水中の魚などは生きられなくなってしまいます。
この水と氷の特殊な性質のおかげで、私たち人間をはじめ、地球上の生命はさまざまな恩恵をうけているんですね。