どうして水が「氷」に変わると、体積が増えるの？ あたりまえを疑ってみよう！

1. 「三態変化」を水のツブから考える

小学校４年生の理科で「物の体積と温度」という教材があります。つまり、温度によって「個体」「液体」「気体」に変化するという「三態変化」を学ばせるものです。

さて、ここで問題です。

水が氷になると、体積は増えるでしょうか？ それとも減るでしょうか？

答えは「増える」です。でも、考えてください。これっておかしくないですか？

次の図は「固体」「液体」「気体」の時の様子をあらわしたものです。今回は、小学校で学ぶ形での図にしておきます。

「液体」を中心に考えてみましょう。「液体」は、分子同士がゆるやかにつながっている状態です。「液体」が冷やされて、分子同士がくっつくと「固体」になります。「液体」を熱し続けると、分子の間の引力が切れて、「気体」になるのです。

私は、子ども達に「水が、氷（個体）、水（液体）、水蒸気（気体）になっている時には、水のツブはどんな状態だと思いますか？」と問いかけ、子ども達に絵を描いてもらいました。

子ども達はそれぞれ、さまざまな絵を描いていましたが、それらの絵をもとに話し合った結果、「氷は、水のツブが近くに寄ったもので、僕たちが押しくらまんじゅうをするような感じ」「水蒸気は、水のツブが離ればなれになってしまう感じで、勝手に出かけちゃう感じ」と、まとまっていきました。

2. 氷になると、かさが増える（体積が増える）のは、なぜ？

さて、ここで子ども達から疑問が出てきました。「水が氷になるということは、水のツブがくっつくことだ。それなのに、かさが増えるのはおかしいのではないか？」というものでした。

確かに、液体から気体になったのですから、氷になった時に体積が増えるのは、理屈に合いません。私は、理屈や基本的な考え方からはずれていることについては、必ず疑問をもち、質問することを教えていましたから、子ども達は「そうだ！ おかしいぞ！」「なんでだろう？」と首をかしげます。

ここで、そのことを実験で証明しようとしても、小学校の段階ではムリです。そこで、私が「世界中で、水だけが特別な凍り方をするのだよ。雪の結晶の写真を見たことがあるでしょう。六角形をしているよね。あんな形で、間を広げるように水のツブがくっつくのだよ」と、説明しました。

すると子ども達から、またまた質問です。「どうして、氷だけそんな凍り方をするの？」これ以上は、中学校の理科や、分子結晶の問題になってしまうので、説明してもわからないだろうと考えました。そこで、「そうだね～。どうしてだろうね～。不思議だね～」と、疑問を残す形で終わらせたのです。

実際に、水は基本的にはH2Oという水素原子2個と、酸素原子1個が結びついた分子という小さな塊でできています。結果的には、次の図のような形で、水の分子がくっつきあうのです。

3. もし水が、ほかの物質と同じ凍り方をしたらどうなるか？

もし水が、ほかの物質と同じ凍り方をしたらどうなるでしょうか。そうなると比重が重くなり、氷になったそばから沈んでしまうのです。

私は、「水のツブがくっつきあったら、重くなってしまうよね。そうすると、湖や海が凍るそばから、できた氷が沈んでいくよね。そうなると湖などに、どんどん氷が沈んでいって、湖の生き物はみんな死んでしまう。だから氷は水の上に浮いているでしょう。水の中の生き物を守るために、そんな凍り方をするのだね」と話をしました。

「そうなんだ。そんなことは、誰が決めたの？」と質問してきた子どもに、「不思議だよね。生命を守るために、水がそんな凍り方をするなんて、神様のしわざとしか言いようがないほど、不思議だよね～」と話したのです。

実際には、どうしてそのような凍り方をするかについては、かなりわかっているのですが、あえてそうした言い方をしたのです。子ども達は、自然の不思議さを感じ、理科が好きになると同時に、自分たちでさまざまな疑問を調べていくようになりました。

以前に、「不思議さが『非認知能力』を育てる」ということをお伝えしました。子どもの「非認知能力」を育てていくためにも、家庭で不思議だなと思ったことを、一緒に考え合ってみてください。今回の水の話をしてもよいと思います。

余談ですが、「水は氷になると体積が増える？ それとも減る？」と大人に聞いたことがあります。ほとんど全員が、「増える」と答えます。理由は「小学校でそう習ったから…」だそうです。小学校の学びのインパクトが大きかったのですね。

でも、ここで紹介したような水の分子の話をすると、「確かに不思議だよね」とつぶやくのです。不思議さのなぞに迫るなんて、ドキドキする行為でしょう、そう思いませんか。

 
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