水はなぜ4℃で一番重くなるのか。水という物質の謎をちょっと調べてみた。

「水は4℃の時が一番重たく、いったん4℃になった水は湖の底に沈むので、冬でも魚が生きていける環境が残される。」
豆知識としては一行で終わる話なのだが、ん? 何で4℃? ていうか水って凍ると浮くからそのあと軽くなってない? どうなってんの?? という話である。改めて考えてみると謎しかない。一体何が起きているのか。ちょっと調べてみた。


●水が重くなるのは、密度が変化するから

水は、1カロリーとか1キロとか色んなものの単位基準になっている物質だが、実は温度によって状態がかなり変化する。
同じ100mlの水を用意しても、温度が上がれば膨張し、温度が下がれば収縮する。そして氷になるとまたいきなり膨張する。
グラフだとこれがわかりやすかった。なんだこりゃ。

mi.PNG

https://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu0/shiryo/attach/1331537.htm

沸騰すると気体になる=密度が下がって膨張している状態
冷却すると収縮する

ここまでは判るが、4℃がピークでそのあと再び密度が下がる(膨張している)というのはどういうことか。
さらに氷になる瞬間にいきなり密度がどーんと下がっている。だから氷は水の上に浮くのだが、…グラフが謎すぎる。同じ氷でも氷点下になっていくと再び収縮に転じているし…。

こんな謎の動きをする物質は水だけ、らしいのだが、まぁそうだよね。そんなに一杯あっても困る。


●密度が変化する理由

この謎現象は、最近解明されていた。水分子が作る安定的な構造(正四面体構造)が最大になるのが4℃付近、らしいのだ。

東大プレスリリース
https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/2960/

記事
https://engineer.fabcross.jp/archeive/180905_u-tokyo.html

分子が安定的なきれいな配列になる「正四面体構造」や「正二十面体構造」が局地的に作られることによって密度が下がる、という仕組みで、この構造は作りやすい物質と作りにくい物質があるらしい。水の場合はちょうど中間くらいで、温度に応じてこの構造の比率が変わる性質とのことだ。

また氷はこれとは違い、水分子の構成がいっきに変わってダイヤモンドのような形の結晶構造となり、一つの水分子の周りに水分子4個、という構成で固定されるので、氷になった時点で一気に密度が下がるのだそうだ。

…いや、うん、なるほど?
なんか今までなんとなく見ていた世界でも「なんでそうなるんだっけ」って考えてみると実は最近まで謎だったことが多いんだな?
水は実に不思議な物質だった。出来れば20年前に知りたかった…まぁ20年前だとまだ解明されてないことも多そうだけど。

ふと思いついてもググれば最新の研究に時代に触れられる、実にいい時代になり申した。