氷はなぜ水に浮く？水が4℃で最も重くなる理由
この記事はAIの支援を受けて原文を翻訳したものです。専門用語や数式は原文とあわせて確認してください。
氷が水に浮くのは、氷の密度が約0.917 g/cm³で、同じ0℃の水（約0.9998 g/cm³）より約8%小さいからです。水は凍ると、水素結合によって1つひとつの分子が4つの隣の分子に固定され、すき間の多い六角形の格子ができます。その結果、同じ質量でも体積が約9%増えます。さらに液体の水には、約4℃（正確には3.98℃）で最も重くなるという性質もあります。このため湖は上から凍り、いちばん深い場所の水は4℃近くに保たれます。
浮くか沈むかは「密度」で決まる
密度とは、質量を体積で割った値です。物体の平均密度が周りの液体より小さければ、その物体は浮きます。このとき物体は、自分と同じ重さの液体を押しのける深さで釣り合って止まります（アルキメデスの原理）。ここから覚えやすい目安が出てきます。水面下に沈む割合は、物体の密度を液体の密度で割った値に等しくなります。
たいていの物質では、固体のほうが液体より密度が大きくなります。冷やすと分子の動きが遅くなってぎゅっと詰まり、凍ると分子がさらに密な配置に固定されるからです。ろうそくの固まったロウが、溶けたロウの中に沈むのはそのためです。水はこの決まりから外れています。コップの水に入れた氷は、0.917 ÷ 0.9998 ≈ 91.7%が水面下に沈み、水面から出ているのは約8%です。
水素結合がつくる、すき間の多い六角形の構造
水分子（H2O）はくの字形に曲がっています。酸素原子はわずかにマイナス、2つの水素原子はわずかにプラスの電気を帯びているため、ある分子の水素が、隣の分子の酸素に引きつけられます。この引力が水素結合です。液体の水では、この結合が絶えず切れてはつながり直します。そのおかげで分子はすき間に滑り込み、かなり近い距離まで詰まることができます。
ふつうの氷は六方晶氷（氷Ih）と呼ばれ、結合の組み替えが止まった状態です。「Ih」はローマ数字のIと、六方晶（hexagonal）の頭文字hを組み合わせた名前です。氷では各分子が、ほぼ正四面体の決まった角度で4つの分子に固定されます。4本の結合のうち2本は自分の水素を通り、残り2本は隣の分子の水素から来ます。この角度のせいで、分子は少し波打った六員環につながり、中心に空洞が通った構造になります。空間のむだが多い構造なので、氷は元の液体より軽くなります。雪の結晶に見られる六回対称の形も、この六角形の構造に由来します。
| 物質 | 温度 | 密度（g/cm³） | 備考 |
|---|---|---|---|
| 液体の水 | 10℃ | 0.99970 | 4℃より上では、一般的な液体と同じ挙動 |
| 液体の水 | 3.98℃ | 0.99997 | 純水の密度が最大になる点 |
| 液体の水 | 0℃ | 0.99984 | 4℃の水よりわずかに軽い |
| 氷Ih | 0℃ | 0.9167 | 0℃の水より約8.3%軽い |
| 海水（一般的な値） | 表層 | 約1.025 | 溶けている塩分の分だけ重い |
同じ変化を表すパーセントが2つ出てきますが、どちらも正しい数字です。氷の密度は水より約8%小さく（0.9167 ÷ 0.99984 = 0.917）、一方で一定質量の水は、凍ると体積が約9%増えます（0.99984 ÷ 0.9167 = 1.091）。何を基準にするかが違うだけです。「氷の密度が9%小さい」「水の体積が8%増える」と取り違えないよう注意してください。たとえば、0℃の水1リットル（質量は約1 kg）が凍ると、体積は約1.09リットルになります。
水が4℃で最も重くなる理由
水を冷やすと、逆向きの2つの効果が同時に働きます。1つは、分子の動きが遅くなってより密に詰まる効果で、これはどんな液体でも密度を上げる方向に働きます。もう1つは、水素結合でつながった氷に似た構造の、寿命の短い分子集団（クラスター）が増える効果で、その開いた構造が分子を押し広げます。約4℃より上では前者が勝つので、水は冷えると縮みます。約4℃より下では後者が勝つので、凍る前からすでに水はわずかに膨張し始めます。
IAPWS-95の標準式に基づく基準データによると、通常の大気圧では3.98℃で密度が最大になり、その値は0.999975 g/cm³です。「4℃で最大」というのは、この3.98℃を丸めた言い方で、最大値もちょうど1 g/cm³ではありません。この効果はごく小さく、0℃の水の密度は4℃の水より約0.013%小さいだけです。0℃の水と8℃の水は、ほぼ同じ密度（0.99984と0.99985 g/cm³）です。わずかな差ですが、毎年冬の湖がどう変化するかを左右しています。
湖が上から凍る仕組み（冬の逆列成層）
水深のある温帯の湖では、冷え方は次のような順序で進みます。
- 秋の混合。表層の水が冷えて密度が上がり、沈みます。風にかき混ぜられ（秋の全循環）、湖全体の水温が4℃近くにそろっていきます。
- 4℃を下回る。表層の水温が4℃より下がると、下の水より軽くなって沈まなくなります。冷却は、薄い表層だけにとどまります。
- 表面が凍る。いちばん上の層が0℃に達して凍ります。氷は浮かび、水を断熱し、風による混合も遮るので、氷は下側へゆっくりとしか厚くなりません。
- 冬の層構造。氷のすぐ下の水は0℃近くで、深くなるほど温度が上がり、底の近くで約4℃になります。この状態を逆列成層と呼びます。
- 春の混合。氷が溶けて表層が約4℃まで温まると、湖全体の密度がほぼそろい、風が上から下まで水をかき混ぜられるようになります（春の全循環）。
0℃の水と4℃の水の密度の差は約0.00013 g/cm³しかなく、水と氷の差の約600分の1です。そのため冬の層構造そのものは弱いのですが、氷のふたが風による混合を止めるので、安定して保たれます。魚などの生き物は、氷の下の液体の水で冬を越します。ただし浅い池は、厳しい寒さが続くと、ほとんど底まで凍ることがあります。
氷山の約9割が水面下にある理由
氷がどれだけ沈むかを決める先ほどの規則は、氷山にもそのまま当てはまります。ただし周りの液体は、密度が約1.025 g/cm³の海水です。密度を割り算すると0.917 ÷ 1.025 ≈ 0.89になるので、純粋な氷でできた氷山なら、約89%が水面下に沈み、水面上に出るのは約11%です。実際の氷山は、中に空気の泡を含み、形もいびつです。ですから、よく言われる「約9割が水面下」は、厳密な値ではなく目安と考えてください。
水道管の破裂や岩の割れ：氷の膨張がもたらす影響
9%ほどの膨張はわずかに見えますが、水の逃げ場がないと大きな力になります。
- 水道管の破裂。管の中に氷の栓ができ、さらに凍結が進むと、氷の栓と閉じた蛇口の間に閉じ込められた水が押されます。液体の水はほとんど圧縮できないため、その区間の圧力が上がり続け、やがて管が裂けます。裂けるのは、氷の少ない場所であることも少なくありません。蛇口から水を少し出しておくと、圧力の逃げ道になります。
- 冷凍庫の中の瓶。中身が満杯のガラス瓶に栓をして凍らせると、割れることがあります。凍ると中身の体積が約9%増えるためです。
- 凍結くさび作用。岩の割れ目にしみ込んだ水が凍って割れ目を押し広げ、溶けるたびに、さらに水が入り込みます。凍結と融解の繰り返しは、山の斜面の岩を砕き、コンクリートや道路の舗装も傷めます。
よくある質問
氷が溶けると、コップの水はあふれますか？
あふれません。浮かんだ氷は、すでに自分と同じ重さの水を押しのけています。溶けると、沈んでいた部分の体積をちょうど満たす量の水になるので、水位はほとんど変わりません。ただしこれは、コップの水に浮かんだ氷の場合の話です。
固体が自分の液体に浮く物質は、水だけですか？
水だけではありませんが、いちばん身近な例です。ケイ素（シリコン）、ガリウム、ビスマスなども、固まるときに膨張します。金属からロウまで、ほとんどの物質は固まると縮みます。
海の底にも、湖のように4℃の水がたまっていますか？
同じ理由ではありません。塩分は凝固点と、密度が最大になる温度の両方を下げます。塩分が24.7を超えると（外洋の水は通常これより塩分が高い）、海水は凝固点の約−2℃まで、冷えるほど密度が上がり続けます。深海の水が冷たく、おおむね4℃より低いのは、冷たくて重い水が沈むためです。
氷の密度は0.917と0.9167のどちらが正しいのですか？
どちらも同じ値で、丸め方が違うだけです。IAPWSの氷Ihの状態方程式によると、通常の大気圧での融点（0℃付近）における氷の密度は916.721 kg/m³、つまり0.9167 g/cm³です。これを小数第3位までで丸めたものが0.917 g/cm³です。
出典：NIST化学ウェブブック：水の等圧物性（IAPWS-95）、IAPWS R10-06：氷Ihの状態方程式（2006年改訂版）、Water on the Web：湖の密度成層、AMS『海洋科学入門』：氷の形成（いずれもリンク先は英語のページです）。
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