水の密度が４℃で最大になるのはなぜ？

水は不思議な物質ですよね。固体になると体積が増加するなど特異な性質を持っていますよね。
今回は水の密度にスポットをあててみましょう。水の密度は1.0g/cm³。中学受験、高校受験、大学受験で密度の問題が出てくると、水の密度はいつも1.0g/cm³ですよね？しかし、高校生になって、化学の教科書や資料集で、温度によって水の密度が変わるグラフを見たことがあるかと思います。共通テストの模試でも出題されたことがありますね。グラフを見てみるとわかる。水の密度が最大になるのは4℃のとき。どうしてこんなことが起こるのだろうか。

水の密度が4℃で最大になるのは水分子の特性に関連しています。

一般的な物質の場合、温度が下がると密度は上昇しますが、水は4℃で特異な振る舞いを示します。

水の分子は氷の結晶構造が安定しており、水の温度が下がると水分子がより整列して氷が形成されます。これにより、水の密度は温度が下がるにつれて通常は増加します。しかし、4℃未満の水は水素結合の特殊な配置により、水分子がより密に詰まることになります。この特異な配置により水の密度が下がり始め、4℃で最大になる。

4℃より温度が下がると水分子の振動が弱まり、水分子同士の水素結合の構造が変化し始めます。この変化により、水の密度は温度が下がっても変化しない方向に向かいます。氷が固体として浮くことを可能にする水のこの性質は、生物の生存にとって非常に重要です。氷が表面に浮くことで水の下の層が凍ることを防ぎ、水中の生物の生存を維持します。

普段から当たり前のように触れている水。水のことを知れば知るほど、特異な性質に魅了されますよ。

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