水はいつも使っているけど、実はすごい不思議な性質があることをご存知ですか。この記事を読めば「そうそう！」って思うこともあると思いますが、水の不思議なところを知ると、とっても面白いですよ！
この記事では、水の不思議な性質について解説していきます。
水の不思議な性質
それでは、水の秘密と科学の謎を探ってみましょう。
表面張力と水の滴
水の表面張力が引き起こす滴の現象は、とても興味深いことなんです。
まず、水の表面張力とは、水の表面で働く引っ張りの力のこと。
簡単に説明すると、水の中では、水分子同士が両手をつないでいるけど、水の表面では片手が離れてしまうから、離れないように内側の分子と手をつなごうとする働き。離れないように離れないようにできるだけぎゅっと手を結んで面積を小さくしようとするんです。
この働きが「表面張力」。
水がグラスのふちから盛り上がっても、なかなかこぼれないのは、この表面張力のおかげです。
空中の雨粒にも表面張力の力は働いています。
雨粒は空気に囲まれたとき、水分子が離れないようにお互いに引っ張り合う力が強くなります。内側へ内側へ入り込もうとする力が働くことで、表面積が一番小さくできる球体になろうとするんです。
これが「雨粒」が球である理由ですね。
水の異常な膨張性
水の温度変化に対する異常な膨張性とその重要性についても、大変興味深い話題ですね。
普通の物質は、温度が上がると膨らみ、温度が下がると収縮しますが、水はちょっと変わっています。水は0℃以下になると、凍るときに体積が増える性質を持っています。
この現象の重要性は、私たちの生活に深く関わっています。
例えば、水が凍るときに膨張する性質は、水道管や容器などに大きな影響を与えます。水道管や容器の中で水が凍ると、水が膨らんで圧力がかかり、管や容器が破損してしまう！なんてことも。また、水が凍るときに膨らむことで、氷が地面や建物の中に入り込んで亀裂を引き起こしてしまう！なんてことにもなりかねませんよね。
さらに、水の異常な膨張性は生物にも影響を与えます。例えば、湖や池が凍るときに水が膨らむことで、水面が上に押し上げられて氷ができます。その結果、水中の生物が氷の下で生きられるスペースを確保することができ、寒い冬の間生き延びることができるのです。
まるで神秘の力が働いているようにさえ感じてしまいます。
したがって「水が凍ると体積が増える」という膨張性は、私たちの日常生活や生物の生存にとって大切な要素であり、その影響を理解することは非常に大切なんですね。
水の密度と氷の浮力
水の温度と密度の関係性、そして氷の浮力について説明します。
水の温度と密度
まず、水の温度と密度の関係性について考えましょう。
一般的に、物質は温度が上がると膨張して密度が小さくなります。これは、分子の熱運動が増加し、分子同士の間隔が広がるためです。逆に、温度が下がると分子の運動エネルギーが低下し、分子同士がより密になります。その結果、密度が増加して体積が減少します。
しかし、水は4℃から0℃の間にはこの一般的な傾向から逸脱します。
水の温度が4℃に近づくと、水の密度は低下していきますが、0℃に近づくと再び密度が増加します。これは、水分子の水素結合の特性によるもので、水の分子構造が4℃で最も密になるためなんです。
氷の浮力
次に、氷の浮力について考えてみましょう。
氷は凍ると、水の分子が氷の中で規則正しいパターンで並びます。このパターンでは、水の分子同士の間隔が広がり、結果として氷の密度は液体の水よりも小さく（体積が大きく）なります。そのため、氷は水の上に浮きます。
この現象こそが、水の不思議！なんです。
物体が水の中で浮くか沈むかは、その物体の密度と水の密度の差によります。他の物質でも、それを溶かした液体の中では水と同様の現象が起きます。しかし、一般的に物質の固体（結晶）は、溶けた液体よりも体積が小さい（密度が大きい）ので、融点で液体の体積が最小になり、温度が上昇すると体積が一方的に増えていきます。つまり、沈むんです。
だから、「水に氷が浮く」現象は不思議なことなんですね。
氷のこの性質は奇妙ですが、ごく一部の物質、例えばシリコンなどでも同じ性質が見られます。これらの物質の結晶構造は、氷と同様に隙間の多い構造を持っています。
水の浮力の性質は、湖や海などの水域で特に重要です。氷が浮かぶことで、水中に生態系が形成され、生物の生存に影響を与えます。また、船舶や構造物が氷によって圧迫されることを防ぐためにも、氷の浮力を理解することは大切です。
したがって、水の温度と密度の関係性、そして氷の浮力は、私たちの日常生活や自然環境に深く関わる重要な現象ということです。
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まとめ
水の不思議な性質について解説してきましたが、いかがでしたか？
・水がグラスのふちから盛り上がることも
・雨粒として形があることも
・水に氷が浮くことも
毎日の暮らしの中で、あたり前に目にしています。
こんな当たり前のことですが、水だからこそ成し得ているのだということを、覚えておくと楽しいですよね。
（参考文献）
文部科学省『地球上の生命を育む水のすばらしさの更なる認識と新たな発見を目指して』／大阪市立大学『水に学ぶ物質科学』／中谷宇吉郎雪の科学館「4℃のナゾ」
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