なぜ水は凍ると膨張するのか？氷が水に浮く理由
私たちの身の回りにある多くの物質は、温度が下がって固体になると、液体だった時よりも体積が小さくなります。これは、冷えることで分子の運動が遅くなり、分子同士の距離が縮まるためです。
しかし、水は違います。水が凍って氷になると、液体の水よりも体積が増えるという非常に珍しい性質を持っています。そして、この「凍ると膨張する」という水の特性があるからこそ、私たちは氷が水に浮かぶ様子を目にするのです。
なぜ水だけが、このように他の多くの物質とは逆のふるまいをするのでしょうか。その秘密は、水の分子の特別な構造と、分子同士の結びつき方に隠されています。
水の分子が持つ「水素結合」という特別な力
水の分子は、酸素原子1つと水素原子2つ（H₂O）からできています。酸素原子は電気的に少しマイナスを帯びており、水素原子は少しプラスを帯びています。ちょうど小さな磁石のように、プラスとマイナスの部分を持っています。
この電気的な偏りがあるため、隣り合う水の分子の間に、水素原子（プラス側）と酸素原子（マイナス側）が引き合う力が働きます。この引き合う力を「水素結合」と呼びます。水素結合は、通常の分子を結びつける共有結合などと比べると弱い力ですが、水の性質を決める上で非常に重要な役割を果たしています。
液体と固体で異なる水の分子の並び方
水が液体の状態にあるとき、水の分子は比較的自由に動き回っています。水素結合は絶えずできたり壊れたりしながら、一時的に分子同士を結びつけていますが、全体としては分子が密に集まっています。
一方、水が凍って氷になるとき、水の分子は規則正しい結晶構造を作ります。この構造を作る際に、水素結合はより安定した状態で多くの分子を結びつけようとします。その結果、水の分子は、あたかもサッカーボールのような六角形（あるいはそれをつなぎ合わせたような形）の「かご」のような構造を形成しながら並びます。
この結晶構造には、分子が存在しない「隙間」がたくさんできてしまいます。例えるなら、液体の水がギュウギュウに詰め込まれた箱だとすると、氷は、たくさんの隙間を空けて並べられた本棚のようなものです。同じ数の分子（同じ質量）であっても、隙間が多い氷の構造の方が、液体の水よりも大きな体積を占めることになるのです。
凍ると膨張する性質が引き起こす身近な現象
水が凍ると膨張する性質は、私たちの日常生活や自然界で様々な現象を引き起こしています。
例えば、冬場にジュースやビールの入ったペットボトルを冷凍庫に入れたままにしておくと、容器が破裂することがあります。これは、中の液体が凍って体積が増えることで、容器の内側から強い圧力がかかるためです。また、寒冷地で水道管が凍結して破裂するのも、この水の膨張が原因です。
自然界では、この水の膨張が岩石を砕く要因となることもあります。岩の割れ目に入り込んだ水が凍ることで、氷が岩を押し広げ、やがれ岩が砕けていくのです。これは「凍結破砕」と呼ばれる現象で、地形の変化にも影響を与えています。
氷が水に浮く理由
さて、水が凍ると膨張するということは、同じ質量の水と氷を比べたときに、氷の方が体積が大きいということです。ここで、物質の「密度」について考えてみましょう。密度は「質量 ÷ 体積」で求められます。
同じ質量であれば、体積が大きいほど密度は小さくなります。つまり、水が凍って体積が増えるということは、氷の密度は液体の水の密度よりも小さい、ということになります。
そして、密度が小さい物質は、密度が大きい物質の上に浮きます。油が水に浮くのと同じ原理です。そのため、氷は液体の水よりも密度が小さいため、水の上に浮かぶのです。
もし水が他の物質と同じように、凍ると体積が小さくなる性質を持っていたら、氷は水よりも密度が大きくなり、水の中に沈んでしまうでしょう。冬に湖や川が凍る時、もし氷が沈んでしまったら、底の方から凍り始めてしまい、水中の生物は生きていくことができません。水面に氷が張ることで、水中の温度がそれ以上下がりにくくなり、生物が冬を越せるのです。水が凍ると膨張し、氷が水に浮くという性質は、地球上の生命にとって非常に重要な役割を果たしていると言えます。
まとめ
水が凍ると体積が増えるという一見不思議な現象は、水の分子が持つ水素結合と、それが作り出す氷の規則的で隙間の多い結晶構造によって説明できます。そして、この膨張によって氷の密度が水よりも小さくなることが、氷が水に浮かぶ理由なのです。身近な現象である「氷が浮く」ことの裏には、水の分子レベルでの特別なふるまいと、地球環境における水の重要性が隠されていました。