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レンです。
エマです。サイエントークは、研究者とOLが科学をエンタメっぽく語るポッドキャスト番組です。
もしも世界中の氷が水に浮かばなくなったらどうなると思いますか?
飲み物にアイスクリーム浮かばせる系のフロートってあるじゃん。それが水立ちなくなっちゃってアイス沈んじゃうから困るね。
多分もうその正規生まれてないよね。
飲み物の体積が今多い中にアイスぽつんと浮かんでるけど、
沈んじゃうんだったら、アイスの玉にちょびっとだけ飲み物かけてる商品になりそう。
わかる?だから沈まない程度。
アイスの一番上よりも液体の高さの方が低いくらいのミックスの商品になりそう。
アサイコップのみたいなこと?
そうそう。
確かにね。それはありそうだ。
てかさ、そういうのなかったっけ?アイスにコーヒーかけるみたいなさ。あれもちょびっとだよね。
名前忘れたけどある。
アホガードみたいな?
そうそう。アホガードみたいなやつね。
別にそれができなくなるぐらい小さな問題じゃないですか。
はいはいはい。
じゃあ、氷が水に沈むようになった湖とかってどうなると思います?
湖の底が氷に覆われちゃうから、湖の底にいるかわからないけど、チンヤナゴとかさ、そういう地表から出てくる系の魚類とかは生きられなくなっちゃうし、
湖の底に生えてた水草とか、サンゴシチョウは生えないか。そういう系もなくなっちゃって、そこに住んでた魚とかも生きられなくなるよね。
そこからなんなら凍ってっちゃうんで、どんどん。水の底はカチコチなんですよ。だから今生きてる生き物もたぶん生まれてない。水の底の方にいる生き物たちはね。だから生態系も全然変わっちゃうんじゃないっていう。
そうだね。
もしそうだったらね。
水の上の方にはいるかな?魚。
水の上の方には、たぶん今よりめっちゃ水冷たくなると思うんで、氷がそこに溜まってたら。
っていうのはなんで?
え?だって冬になったらさ、地表寒いし、水の底の方の氷も溶けないでどんどん溜まっちゃうから、水の底も冷たいわけじゃん、氷で。ダブルで冷たいんで、水の温度下がるんですよ、めっちゃ。
なので、氷が水に浮くって当たり前なんだけど、結構今の地球にとっては大事なことなんですよ。
じゃあ、なんで氷は水に浮かぶんでしょうっていうことなんですよね。
で、今回は、これちょっと後でまた聞くけど、この質問に対する答えをひたすら考えるエピソードです。
なぜ氷は水に浮かぶのか。
それを一応、小学生向けの説明からスタートして、どんどん奥底の沼にはまっていくようにしゃべるっていうのをやりたい。
これたぶん聞いてる人は、この質問聞いたことあるなみたいな人もいると思うんですよね。
そうだよね。
これテストにも出るんじゃないかな。
うん、なんかやるんじゃないかな。
理科のテストとかで出てきますよね。
うん、たぶん。
だから、説明できると思ってる人結構いると思うんですけど、実は100%の回答、僕まだ出てないと思ってるんですよ。
そうですね。
本質的にはまだまだ未解決なところいっぱいあるなと思ってて、この質問。
地球にずっと昔からある水と氷ですけど、まだわかってないんだ。
まだわかんないこといっぱいあるな。
僕すごい思うのが、科学ってとにかくわかんないことを探求するっていう面もあるんだけど、
身近なことを深掘りしまくって、本当の本当に理解するところまでやるっていうのもまた科学だと思ってて。
そうだね。
分かったつもりなんだけど、踏み込むとまたわからん世界広がってますみたいな。
これ結構面白いことかなと思ってて。
そうですね。
今回ちょっとそういう回にしてみたいね。
はい、そうしましょう。
そうしましょう。
そうしましょう。
まだそこの沼に私はまってないから、どういうことなのか教えてほしいですね。
水と氷に関しては。
ぜひリスナーさんも考えながら聞いてみてほしいです。
最初に今回なぜこの話をするのかというと、
毎月10日にかけて複数のポッドキャストが共通のテーマについてしゃべる。
科学系ポッドキャストの日、トークテーマ企画となってます。
今回はこのテーマ、サイエントークがポストで1周年記念です。
1周年だな。
1周年です。
おめでとうございます。
なんと今回26番組以上参加しております。
過去最高?
多分。
一大イベントになりました。
そうだね。
すごい。
ジャンルの枠も超えてたくさんの番組が、今回未解決というテーマで、
いろんな未解決のテーマを話すということになってますので、
ぜひ他の番組も覗いてみてほしいです。
最後にちょっとそちらも紹介しますけど。
確かに未解決ってめっちゃ面白そう。
面白いと思うよ。
テーマとして。
ポッドキャストによって全然違うと思う。
視点が。
水と氷の密度の違い
っていうエピソードで私たちは水と氷。
未解決なの?本当に。
未解決なとこあるんす。
そうなんだ。
っていう話です。
じゃあ早速本題入りますけど、
氷はなぜ水に浮くでしょう?
えまさんならなんて答えますか?
氷のほうが軽いから。
氷のほうが軽いから。
それはなぜ?
なんか体積あたりの水分子の数が多分液体のほうが多いんだよね。
で、個体のほうが小さくてじゃない?
氷のほうが同じ重さでも体積が大きいって感じですかね?
そうですね。
氷は立体的な分子の面なりになるんじゃなかったっけ?
でもそういう感じですね。
そういう感じですよね。
なんとか結合が大事とか並べれますけど。
水のほうが同じ体積の中でもいっぱい水分子がギュってあるから重くて、
氷だったら割とスカスカの水分子しかない。
何でスカスカなんですか?
何でスカスカか。
氷だったらガチガチじゃん?
ガチガチですね。
固まってるから、そういうふうな特定の場所にしか水分子入れないから。
動けなくなって?
動けなくなって割と水分子と水分子が遠い位置でガチって固められてて、スカスカになっちゃう。
ほぼほぼその通りって感じですね。
昔習ったよね。
昔習った感じはそんな感じで習ってると思うんですよ。
だいたい正解って感じですね。
一応最初に小学生向けの説明をしてみたいと思ってて、
こちらの学研キッズネットっていうのを参考にしてます。
ポッドキャストやっててよく僕の疑問だいたいこのキッズネットに行き着くことが多くて、
多分僕トップクラスで学研キッズネット見てる大人かもしれない。
めっちゃ見てる。
そちらによると氷が水に浮くのは氷が同じ大きさの水より軽いからです。
ではそれはなぜでしょう。
それは水が氷になるときに膨らむからなのですって書いてあるんですね。
さっき言ってた通りですよね。
コップ一杯の水を冷凍庫に入れて凍らせると、その水は膨らんでちょっとコップの下から盛り上がって凍ると。
その分氷が大きくなっちゃってるんで、氷の密度は小さくなってると。
だから氷は水より上に浮かべます。
非常にわかりやすいですよね。
よく冷凍庫に缶ジュース入れたら氷の方が大きいから膨張して缶が破裂しちゃうみたいなことありますね。
僕もやらかしたことあります。ない?
ない。でもよく言うよね。どんな感じで破裂してるの?
破裂っていうか、開けたら漏れてるというか、亀裂が入ってそこから液体出ちゃってるみたいな感じ。
じゃあ次もうちょい詳しく知りたいと思って、チャットGPT君に質問してみました。
氷が水に浮かぶのはなぜですか?
チャットGPTの答え。これは水の性質に関連しています。
水は4度以下になると固まって氷になりますが、その際に水分子が特別な配置を取ります。
これによって水の密度が変化します。
これ結構最初に山下さんが言ってた説明と大体同じですよね。
氷の形成に関わる水素結合
この4度以下になった時に起こるのは、水が水素結合によってくっついて、特定のパターンで配置されるので水の密度が減少します。
水素結合っていうキーワードが出てくるんですけど。
なので結果として氷は同じ重さの水よりも体積が大きい。
だから水中で浮かぶっていう説明ですね。
でも確かに今の説明聞いたら、じゃあなんで温度が低いとその水素結合で特定の配置にしかならないんだろうね。
水でも水素結合ってあるよね。
水でも水素結合はある。
でもその辺も結構いいとこついてて、この辺がちょっとかなり化学っぽい化学っぽい感じの説明になっていくんで、
ちょっと噛み砕きながらいきますけど、
そもそも水ってあまりに身近だから忘れがちなんだけど、異常な液体なんですよ。
まずその認識をした方がいい。
聞いたことあります。そもそも膨らむのが、氷と膨らむのが異常って聞きましたね。
ほとんどの液体は縮む。
水以外の液体、例えばガソリンみたいな油とか、あとエタノールとか、ロウソクのロウとか、
ああいうのは個体になると小さくなるんですよ、みんな。
だからロウソクのロウはわかりやすいかな。
ロウソクのロウ、どろどろに溶けたやつの中に個体のロウポイって入れたらそこに沈むんですよ。
とかバターとかも、鍋でバター溶かしますよね。
でも個体のバターって別にバターの上に浮かばないんですよ。
そこに沈んでる。
し、火山から出てくる溶岩は、本当に水みたいな性質があるんだったら、
溶岩の上に岩が浮かんでくるはず。
でも浮かんでこないじゃん。
じゃあ岩は溶岩の下にあるの?
下にある。
だから水みたいにコップに浮かぶ氷みたいな絵にはならないわけね。
分子の動きを考えるとわかると。
分子って3つ状態がありますよね。
分子というか物。
個体と液体と気体。
それぞれどんなイメージあります?
個体は整列してて場所決まってる。ガチガチ。
液体は分子が自由に動き回れるみたいな。
だけど近くにいて、
気体は分子と分子が完全に離れてる。
バラバラね。
だから普通は個体が一番ギュッとなってて一番ちっちゃくなる。
それが普通。
なんだけど、じゃあH2Oはどうなん?っていうことを言ってみると、
H2Oって全部均一ではないんですよ。
H2Oというもの自体は。
Oっていう酸素がちょっと大きくて、
その左右にHっていう水素がちっちゃいのがピッとついてると。
それって電気的にめちゃくちゃ偏ってるっていう特徴がある。
聞いたことあると思いますけど。
酸素はマイナスで水素はプラスみたいな。
これがなんで?みたいなのを授業でやるっけ?
大学だったらやるよね。
大学だったらやるか。
この酸素マイナス水素プラスってなんでっていうのは、
原子を細かく見ると酸素の中にもプラスとマイナスの部分はあると。
酸素のコアになってる原子核ってやつはプラス。
その周りを飛んでる電子はマイナス。
酸素はそれぞれ8個あると。
電子が8個。
氷の種類と分子の並び方
電子が8個。
陽子も8個。
これが酸素。
電子が1個、陽子が1個だと水素。
ってことは酸素の方が電子いっぱい引き付けてるわけじゃないですか。
陽子が多くて。
だから電子を引っ張る力が強いと。
だからHとOがくっついたときって、
それぞれ持ってる電子をシェアしてくっつくんだけど、
酸素の方が電子を引っ張る力強いんで、ちょっとOによると。
だからOの方がマイナス。
Hの方がプラスよりになる。
っていうのがこれ極性ってものですよね。
じゃあHにあった電子がちょっとOの方に引っ張られちゃうんだ。
そうそう。
だからH2Oってやつは、
Oの方が電子がちょっと集まっててマイナス。
Hはちょっと少なくてプラスよりだと。
じゃあ今度H2Oが2個あったときってどうなるかっていうと、
片方のH2OのOともう片方のH2OのH。
要はOとHはくっつくんですよ。
磁石みたいに。
これが水素結合なんですけど、
ちょっと距離を置いてくっつくんですよね。
お隣のH2Oと。
このちょっと距離を置いてくっつくっていうのが大事なの。
それはなんでちょっと距離を置いてくっつくんですか?
言ったらもう角度も決まってるわけですよねH2Oって。
異なる氷の形や構造
だから六角形っぽい形に並ぶと。
それは分子が何個かあるH2Oが角度決まって並び始める。
そうそうそう。
整列していくわけよ。
だから本当のギューギューになれるわけじゃないよね。
ちょっと距離とってH2Oが並び始めるって感じなんで、
そうなると全体としては膨らむみたいなことなんですよね。
じゃあ液体の状態での水では、
水分子同士はそんなに水素結合がそもそも働いてないことかな。
それよりもブンブン動いてるから、
そんなできてる暇ないみたいな。
だから結構分子同士が近づける。
できたりできなかったりしてるっていう。
それが早すぎてわかんない。
もうめちゃくちゃに暴れ回ってるから。
できたと思ったら消え、できたと思ったら消えみたいな。
そうそうそう。
で、H2Oの水素結合よりも近づくこともあるってことね。
近づくこともあるけど、すぐ反発してバーってなってるみたいな。
でも近づいてるってことだよね。
だってその方がさ、密度大きくなる。
そうだね。
でも全体として見たら近づいてるってことだよね。
そうそうそう。
綺麗にその六角形で並んでる時よりかは近づいたりしてると。
なんで氷の方がサイズ大きくて、で、水に浮かびますと。
で、疑問解決。
以上って感じなんですけど、これで終わりじゃないんですよ。
で、普通にググったりチャットGPTに聞いて出てくる回答は大体ここまでだと。
この先説明してるものってほぼ少ないというか、
基本的にはテストはこれで正解だし、OKなんだけど、
僕的にはもうちょっと掘れるんじゃないかなと思ってて、これ。
ここからがちょっと最遠トークなんですよ。
で、まずね、最初の質問をもう一回読み返してみたいんだけど、
なぜ氷は水に浮くのか。
まずこれ、絶対浮かぶんですか?っていう。
ちょっとそこから問い直していきたい。
浮かばないときもあんの?
どう思います?
でも浮くんじゃないの?
氷の形成と未解決の部分
浮くと思います?
実は沈む氷もあるし、浮かびも沈みもしない氷もあります。
それ普通の氷?
普通ではないですよね。
普通の氷は浮かぶよね?
普通の氷は浮かぶ。
冷凍庫で作るようなやつは浮かぶけど、
必ず氷だからといって浮かぶわけじゃない。
水からできてる氷?
そう、水からできる。これ同じH2Oです。
なんかさ、特殊なものを混ぜてさ、分子構造を変えたりしてるみたいな。
いや、それなし。
それなし?
いや、だったらさ、割となんでもいけそうじゃない?沈むようにするの。
重いやつ混ぜたら沈みそうだしな、それ。
じゃあ、純粋にH2Oだけ?
純粋にH2Oだけ。
だけで、なんか特殊な作り方で作った氷とか?
なんかギュッてした氷?
あ、そうそうそう。
圧力かけて、で、温度もめっちゃ下げた氷。
そうです。
言ってしまえばそうなんだけど、そもそも氷って一種類なんですか?って話なんですよ。
身近なところでイメージしやすいのは、これ雪の結晶とかだと思ってて、
雪の結晶っていろんな形あるの知ってます?
うん。
あれも言ったらH2Oなのにいろんな形あるじゃないですか。
そうだね。
これ何種類あると思う?ちなみに雪の結晶。
え、わかんない。
なんとなく予想でいいよ。
じゃあ、100個で。
結構惜しいな。121種類です。雪の結晶の種類。
それ以外ないの?
まあ、なんか変な形のとかはできてるかもしれないけど、わざわざ分類されてないっていう感じかな。
いや、意外と数少ないね。
いや、なんか勝手に無数だと思ってたからさ、121個かみたいな。
私100って言ったけど、いや、答え1万だったとかかなって思った。意外と121だった。
意外と少なかった。
まあ、でも確かに水分子同士が決まった角度でしか結合を作れないんだったら、確かになんか無数ではないか。
グローバル分類っていうね、一応正式に名前がついて雪の結晶って認められてるやつがある。
え、そうなんだ。
まあ、これ雪の結晶の話ですけど、普通に凍らせて作る氷。
うん。
あれもパターンがあるんですよ。
普通に水を蒸圧で凍らせる氷。
うん。
まあ、これ6角形に並んでる氷ですよね。
うん。
これ、氷1みたいな名前がついてるんですけど。
うん。
これ氷も2023年時点で19種類がある。
それぞれがどういう感じなの?立体的な氷の形ってこと?
雪の結晶だったら思いつくけどさ、氷の形って3D。
3Dというか、分子の並び方によって違う。
だからね、見た目はそんな違うわけじゃないけど。
なるほどね。分子の並び方、そっかそっか。
なんかさ、一つの氷のキューブの中にさ、何個かの並び方があるみたいなこともあるんかな。
ああ、そうの可能性もあると思う。
あ、そうなんだ。
うん。普通に作る氷1っていう中にも2種類あって、
うん。
この6角形が重なってるのと、あとまあダイヤモンド型みたいな言うんだけど。
3Dに重なってギュギュになってるみたいな。
っていう場合もあるけど、なんかダイヤモンド型はね、結構不安定らしくて、
本当にちょっとしかないみたいな感じ。
これね、密度は同じなんだけど、形がちょっと違う。
じゃあ普通にもう家庭で作られて、私たちが見てる氷はほとんどなんか6角形が上に重なってるみたいな。
そうそうそう。
そういう氷なんだ。
うん。
でも19種類あるんで、これは。
うん。
細かく見ていくと。
ググったらね、日本語のサイトはだいたい17種類とか18種類って書いてるやつばっかりで、ちょっと古いんだけど。
うん。
最近でも結構これ見つかってて、今19種類ということなんですよね。
で、氷の中でも全部それ浮かぶわけじゃなくて、
うん。
もっとギュギュになってる氷っていうのがあって、それ水に沈むんですよ。
うんうんうんうん。
まあ、そして逆にもっとスカスカな氷っていうのもあったりする。
へえ。
もっと水に浮くやつね。
なるほどね。
そうそうそう。
だから一概に氷って言ってもいろいろあるんですよ。
なるほど。
で、なるとその普通の環境、普通の圧力で作られた氷がなんでスカスカな構造なんだろうみたいな。
ああ、でもまあ普通の環境だったらメジャーな並び方がスカスカというか。
じゃあたまたま水は普通な環境でできた氷がスカスカな構造をとるものだったってこと?
他の液体は固体になったときギュッてなるけど、普通の圧力で作った氷は割とスカスカな構造。
というかまあ水素結合がずらっと並んでるからっていう。
水素結合がずらっと並んでるから。ギュッとした氷は水素結合がないの?
いや、ある。けどギュッてなってるんで角度がちょっと歪んだりしてる。
うーん。
だからより集まれて水よりも重いって感じ。
でもなんかすぐ溶けそう。歪んでるし。元に戻ろうとする力とかも。
そう。だからいろんな密度の氷があるってことだよね。で、水と全く一緒の密度の氷もあるっていう。
なるほど。それはじゃあ水の中にふわふわと浮いてるものか。
そう。ちなみにこれ見つかったの今年です。
えー面白いね。全く同じ。
2023年の2月のサイエンスに出てました。
しかも綺麗に並んでるっていうよりかはガラスみたいになってる。
あーいろんな並び方が集まって平均して密度水ぐらいってこと?
そうそう。無秩序に並んでる状態になってて。だから個体なんだけど液体みたいな配置してるっていう。そういう氷もある。
まあでもさ、そんな言ったらさ、もう密度無数に作れない?
重い氷作りたかったらちょっと重い配列の氷の割合を増やせばいいし、自在に作れそう。
作れそうだけど、それは人間がコントロールできるかっていうのはまた別の話で。
じゃあ今は19種類しか作れてないんだ。
そう。意外とね。だからこれね、まだ見つかると思いますよ。今後も。
なんかもう人間の技術次第な感じがするけどね。
そうだと思う。あと人間がそれを観測ちゃんとできるかっていう。
そういう意味では氷ってまだ完全に理解できてないですよ。まだ調べるべきところがたくさんある。
じゃあさ、他の物質もそうなんかな。他の物質も何個か並び方がある氷があって、氷というか個体があって。
で、かつそれを無秩序にミックスした版の氷みたいな個体もあってっていう感じなんかな。
なんかね、あるやつはあるって感じらしくて、でも水みたいに柔軟種類もあるっていうのは他にないらしい。
数パターンあるのはあるけど。
でも作るの難しそうだってさ、一部は人工的にギュッとさせなきゃいけないわけじゃん。
一部はっていうのがよくわかんないけど。
だってさ、無秩序に並んでるでしょ。だからさ、いろんな密度の氷が集まってるわけでしょ。
まあそうだね。さっきの新しい氷だと。本当にでもこれランダムにしかできてない。
じゃあさ、いろんな圧力で氷作って、それで平均したら水と同じ密度の氷ができるってこと?
どうやって作ってるんだろうね。
これ作ってんのは、シェイクする容器に3分の1分氷入れて、もう3分の1にステンレスの玉入れて、これを液体窒素でマイナス195度まで冷やして、シャカシャカ振る。
ステンレスの玉が重要なの?
氷の密度と水の性質
そう、これね、それが氷を粉砕して、本来きれいに並んでた氷、あれをぐちゃぐちゃにちぎっちゃうっていう。
したらこういうガラス質の氷ができるんだって。
でもさ、普通の氷をぐちゃぐちゃにしたらさ、さらにスカスカになりそうだけどね。
水と同じ密度の水ってことはちょっと重くしなきゃいけないわけじゃん。
いや、でもきれいに並んでるやつが崩れるわけだから、水には近づいてんじゃないかな、原始的に見ると。
なるほどね。きれいに並んでたやつがぐちゃぐちゃになって、一部ちょっと近づいたりすることで、密度が大きくなるのか。
そうそうそう。結構シンプルですよね。
そうだね。そのステンレスの数を多くしたらいいわけでもないか。
いいわけでもないんじゃないかな。これはもうただただ冷やした状態で氷の粉作ってるみたいなことだから、今んところこれ以上まだやられてないかな。
最初の質問の、なぜ氷は水に浮かぶのかっていうのは、ただし氷は常圧下で作成した氷一の構造、普通の氷の状態では浮かぶのはなぜでしょうっていう質問が正しい。
じゃあ、これは絶対浮かびますか?
浮かばないこともあるんですか?
これ浮かぶと思います。ここまで条件つけたら。
氷一は普通の液体の水には浮かぶのかもしれないけど、もしその液体の水が氷一よりも密度が小さかったら、氷一も沈む。
その水とは。
わかんないよ。
その水とは。
そういう水があったら。
そういう水があったらね。もしもってことだね。
ある意味惜しいかもしれないなこれ。
ちょっとずるい感じもするんだけど、普通の水にH2Oではあるんだけど、重水。
重い水って書いて重水ってやつがあるんですけど。
これはH2Oの中のHの中性子が増えたやつですね。
この重水でできた氷。これを普通の水に入れると沈む。
中性子分重いから。
でもこれ結構見た目不思議ですよ。
実際にやってる動画とかが上がってて、重水で氷作ってみたみたいな。ちゃんと水に沈んでいきますよみたいな。
重水って結構面白いんですよね。
体積に関しては、普通の氷と重水で作った氷って、重水で作った氷の方が大きい。
めっちゃ細かい話なんだけどねこれ。
中性子が増えることによってHが電子を引っ張る力がちょっと弱くなる。
弱くなったら分子内でのHとOの結合の強さが弱くなって、そしたらH2OのHとOの距離が開く。
さすがですね。
だから大きくなるのか。
それもあるし、それによって水素結合の距離もちょっと長くなる。
水素結合の距離もちょっと長くなる。
だから重水1分子の体積は普通の水よりちょっとだけ大きいんですよね。
でもさ、氷になった時の蒸圧での氷は氷1の効働を取るわけ?
そのはず。ちなみに重水ってちょっと甘いらしいです。
飲んで体に悪影響とかないんかな?
あります。
普通の水みたいに飲んで10%を超えると体の水分摂取量として悪影響が始めて。
これ人間でやったわけじゃないけどね。
50%飲むと死亡するって言われてる。
なんでだろう?
これは普通の水に置き換わっちゃうと酵素の反応とか、そもそも細胞の活動が阻害されちゃうらしくて。
ただこの中性子の違いが。
なんでなんで?なんか電気的にちょっと変わっちゃうのかな?
たぶんタンパク質の形とかもちょっと変わっちゃったりするんじゃないかな?
確かに変わりそう。
とかだと思うけど、これはちょっと原因はいろいろあると思うけどね。
こういう重水っていうのもあると。
これちなみに10mlで1万円くらいで買えます、一応。
高いね。欲しい?
欲しいというか、僕は結構使います、実験で。
割と測定とかで使う人多いんじゃないかな?重水。
そこら辺に置いてると空気中の普通の水と混ざっちゃって、どんどん純度が悪くなっちゃうから、ちゃんと密閉しておかないといけないよね。
でもさ、そこら辺に普通に捨てちゃっていいの?
重水?
毒になるじゃん。
一応ちゃんと排液に捨ててますよ。
ちゃんとそこはね。やって捨てたらダメです。
でもさ、どっちにしろちょっと蒸発して空気中に出てっちゃうよね。
まあね、その分はある。
でも水の量が多すぎるから大丈夫なんかちょっとぐらい。
だし、基本的に化学の実験するときは、ちゃんと排気設備があるところで使うんで。
そんなに重水吸うってことはないと思うけど。
そうだね。
じゃあここまで最初の質問から見返してきましたけど、なぜ氷は水に浮かぶのかという質問を正確に言うと、
なぜ氷は水に浮かぶのか。ただし氷は蒸発で作った氷一であり、かつ重水じゃなくて普通の水、軽い水から作成したものとするということになります。
これでやっと質問が明確になりました。
で?って言う感じなんだけど。
解決してんじゃん。
え?
解決してんじゃん。
とりあえずこれ質問明確にしといて、でも僕が言いたいのは、並び方が氷の方が体積が大きくなりますっていうふんわりした説明で浮くっていうのは言えるんだけど、
本当に浮いてる状態を見ることできてますかっていう。
言ったら氷は何種類もあったわけじゃないですか。
じゃあ水って本当に一種類なのっていう。
そういう話なんですよ。
これがここからが結構未解決な領域が多いとこです。
さっき言ってたみたいなさ、密度が小さい水あるんかな。
さすがに氷より小さい水はないと思われる。
でも高いところと低いところとかがあったりするんじゃないかっていう、普通の水の中でも。
普通にありそうだよね。だってさ、気圧が低いところではさ、ちょっと水の密度も小さくなりそうじゃん。
押されないから。
普通に周りが圧力小さかったらさ、水分子は自由にバーって動いてるわけでしょ。
で、外からの全体的な圧力が小さかったら水の中でもさ、密度小さくなりそうじゃん。
逆にさ、外からの圧力がギュッてなってたら、水の密度もちょっと大きくなりそうじゃん。
まあ多少変わるのかな。
誤差かな。誤差っていうか本当に小さい差でしかない。
でも一応水めっちゃ圧力かけたら氷になったりするから。
そっか。
でもそれは変わりはすると思うよ。
え、水めっちゃ圧力かけて氷になるのは、じゃあ水よりも密度が高い氷になるってこと?
あ、そうそうそうそう。それはさっき言ってた高圧で作る氷とかって。
まあそういうことですね。
その時は別に何だろう、温度下げなくてもいいの?
温度下げなくても氷になると思う。
なんなら数百度でも氷になったりする。圧力かけて。
熱い氷っていうのが存在してる。
あ、いいね。なんかさ、アイスクリームでさ、いつも温かいアイスクリームないかなって子供の時から思ったりしない?
いやー。
アイスでおいしいんだけど、これは冷たいじゃなくて温かかったりしたらどんな感じなんだろうみたいな。
でも同じ食感で、同じ味だけど温かいみたいな。ホカホカできたてみたいな。
あー、いやーわかるなー。なんかアイスに温かいものを組み合わせるの結構いいよね。
それこそアフォガードみたいな。
アフォガードとか揚げアイスとかある。
でも私が言ってんのはアイス自体が温かい。
それはないね。
そういうのあったらさ、面白くない?
俺、生クリームってソフトクリームの温かい版みたいなのを昔思ってた記憶あるな。
でもさ、ソフトクリームと生クリームはちょっと食感違いね。
違うんだけど、見た目だけソフトクリームみたいだから。
まあまあ、確かに確かに。
温かいソフトクリームって言ってた。
まあでも、そういうのじゃない、そういう次元じゃないぐらい超高圧にしないと熱い氷作れないけどね。
そうか。
うん、もう普通の環境じゃ無理っす。
その過酷な環境でさ、温かいアイス。
でもアイスってさ、あれだっけ、卵とかもいるんだっけ、作るのに。
そうやったらさ、過酷な環境だったらさ、分かんないけど、温度すごい高いからもうアイスなんないか。
ああ、アイスなんないんじゃないかな、きっと。
残念だな、温かいアイス食べたかったな。
1万気圧出せればいけます。
1万気圧。
うん。
うん。
でも結局さ、卵もさ、普通の状態じゃなくなっちゃうね。
うん、普通の状態じゃない。
他の材料も。
どうなるか分かんないな、これも。
まあそうだね、氷一つ取っても、まあいろいろまだ見つかってる訳ですよね。
うん。
で、水側はもっとむずくて。
うん。
氷って、今まで言ってきたように、分子として割とガチッと固まってくるところなんで、観察はしやすいんすよ。
うん。
だから、こういう感じで並んでるっていうのは、比較的やりやすいんだけど、液体の水って、もうはちゃめちゃに動くんで、
うん。
早すぎて追えない。
うんうんうん。
もうすごい数研究されてるんだけど、いまだに常温の水の動きとかを、その正確に観察したり予測するってできてない。
水の動きと水分子の集まり
うん。逆に他の物質のさ、液体の動きは観察できてるってこと?
いや、それも全然できてない。
じゃあ、もう液体自体が分子の動きが追うの難しいってことか。
そう、すごい難しい。
で、例えばね、2023年時点だと、水分子H2Oが60個くらい集まってる状態を計算して、こういう形が一番取りやすいって発見する計算方法もまだ知られてない。
ほう。
だから、本当はもうH2Oなんてもう無数にあるわけじゃないですか、バーって。
うん。
たった60個くらいでも計算とか再現も難しいな。
確かに。だって自由に適当にさ、動くんだもんね。それを60個でも計算できなさそうだな。
そうそうそうそう。
2個ぐらいあったらいけそうだけど。
2個ぐらいあったらいけるけど、でも2個を観察したところでさ、実際の水の動き何もわかんないわけよ。
そうだね。
水の性質の未解明な点
だから、ここは結構この分子のめっちゃミクロな話を、水っていう大きいものを調べるっていうものにすごいギャップがあると。
なんだけど、だから正直チャットGPTとかはあたかも水とか氷とかってきれいに水素結合を作ってますみたいな、氷とか特にそうだけど。
で、もう体積の違いわかってますって言ってんだけど、そのパターンは本当にまだ全部見つかったかっていうとそうじゃないと。
そうだね。
で、やっと最近水が1種類か2種類かっていうのがちょっとわかってきたぐらいのタイミングなんですよ。
1種類か2種類かというのは。
え、水って本当に均一な1種類の液体なのか、それとも2種類の性質がある液体が混ざったものなのかっていう。
それ言ったらさ、3種類でも4種類でもよくない?
いや、これはね。
何種類なの?
これはね、2種類なんです。
それは何と何なの?
水分子の動きと氷の性質
これはね、正しく並んでるっていう液体と、ちょっと乱れてるっていう液体。
ざっくりと言うか、この2種類が混ざった状態なんじゃないっていう。
正しく並んでるっていうのは、氷みたいに割とガチガチなポジションがあって、そういう水ってこと?
水素結合をして、静止面体みたいな形で並んだりするんだけど、液体の水。
それが綺麗に静止面体同士で並んでるっていうのと、ちょっと歪んでるみたいな。
っていうのが液体の中で同時に存在してるみたいな。
のがようやく最近わかってきた。2020年とか。
なんか1種類の正しく並んでないやつが水だと思ってた。
あ、そう。正しく並んでないやつが今まで見えてなかったらしいんだよね、観測上。
これX線で検出したりしてるけど、もうピークが近すぎて隠れてましたっていうのがわかったっていうので、2種類いるっていうのが言われてるんだけど。
これずっと論争されてたらしくて、1週間、2週間って。
一応それを元にまた、この2種類の水がどんな形をとってるのかっていうのを計算の方から調べた人もいて、
その水1個1個っていうよりもっと全体像、水をちょっとでっかい粒子として計算してみたら、どんな形になるかなみたいなのを計算した人がいて、
実は水って絡まった紐状のパターンがいろいろあって、その紐の絡まり方によって水の中の水度が高いところと低いところがあるっていう。
すごいね。水の紐理論じゃん。
そう、水の紐理論みたいのがある。これ2022年の研究でわかってきてると。
これは計算してわかったの?
そう、これは計算。
なんかさ、計算技術が上がって、そういうシミュレーションもしやすくなったらいいけどさ、観測技術も上がって、実際にどういうふうに動いてるのかってわかったらいいよね。
ほんとだね。
めっちゃちっちゃくってめっちゃ速いのかもしれないけど。
そう、そこがね、まだ難しいんだよね。というかそもそも氷ができていくっていう過程あるじゃん、水から固まって。その過程も結構まだ謎が多くて。
確かにね。
それも今年の5月とかにやっと最新の、これもシミュレーションが元だけど、氷っていうのが一分子の層になってミルフィー状にできていくみたいな、そういうのが予測できたっていう。
そのレベルなんですよね、まだ。
全然わかってないだね。
全然わかってない。だから水もよくわかってないっていうのが結構言えますよね。
しかも水と氷の境目も結構よくわかってないことだらけで、氷が水に浮くっていうのはもう水と氷の境目あるわけですけど、氷がなんで滑りやすいのかって、なんでっていう話がある。
氷がなんで滑りやすいのか。なんか普通に分子レベルとかじゃなくてでかいレベルで考えたらさ、液体の上にあるもの滑るやんみたいな印象あるけどね。液体の上にある個体だったら滑るやんみたいな、そんなイメージで滑りやすい。
でもそれがもっと…
それを分子レベルで説明?
っていうのがまだこれも未解決問題と言われている。スキーとかスケートとか普通にしてると思うんですけど。
一応ね、氷の表面が0度以下でも液体のような性質を持つっていう表面誘拐っていう現象とか、
あとそこで摩擦熱ができてちょっと溶けて、とか圧力がかかってもちょっと溶けてみたいな複合的な要因で滑ってるっていう、ほぼほぼそういう説明はされてんだけど、まだちょっと未解決なとこあるよねっていう。
水分子の動きも分かってないんで。分子レベルで解明されたとは言えてない。
氷が水の上でなんで滑るか。
それが摩擦熱とかがあったり、氷も一部溶ける。氷一部溶けてもさ、結局溶けた水が下に行って上に氷があってさ、それで滑るっていうので、結局なんで滑るのって話にならない。
だから分かってないんですよ、それも。しかも氷が溶けてそこに出てきた水は普通の水とはちょっと違うよねみたいな論文もある。
それがもしかしたら潤滑油的な働きをしてるのかな。
みたいな可能性もあるよね。実際はあるらしいよ。普通の水の密度とはちょっと違うんじゃないかっていう。
それはなんかさ、そもそもなんで液体の上に個体を置くと滑るのかっていう。
それの分子的な説明がついたら、それで説明近づくじゃん。
それもやられてるのかな。でもまあ、水分子の液体側がよくわかってない以上、完璧な説明はできないよね、たぶん。
水じゃなくてもさ、なんか油とかなんでも液体の上になんか置くと。
でも結局分子的な説明しようと思ったら同じ感じになっちゃうかな。
そう、同じ感じになっちゃう。水の動きが完全にはわかんないから、ここまだ未解決だよねってなっちゃうよね、結構。
結構まだ水わかんないこといっぱいあるんですよ、だから。意外ですよね。
でもさ、やっぱ水がさ、普通に動きやすいからでいいんじゃないの?
いや、そうなんだけど、結果的にね。
え、じゃあさ、何を求めようとしてんの?
氷の形成と滑りやすさ
いや、そのとき水どういう動きしてるのかなっていうのとか。
そのとき水どういう動きしてんのか?
まあいろいろ言ったんだけど、氷は生素結合があるから体積が大きくなりますで、テストは丸はもらえるんですけど、
細かく見たらこの氷って純粋じゃないですよねとか、いろいろ気になっちゃうかもしれないけど。
うん、君は気になるんですね。
僕は気になっちゃいました。
どうですか?ここまで水と氷の話してきましたけど。
うん、なんかシンプルだけど難しいですね。
特に水の動きとか、相当こっちの技術発達しない限りわかんないですね。
だよね。
うん、それこそ君が一番初めに知った、身近なものだけど全然わかってないことですね。
そうそうそう。
ちなみに僕の好きな理論があって、水の。
これ生物が持ってるアミノ酸って、右手型左手型があるっていう話を、まあどっかでもしたことあるんですけど。
基本左手型で僕たち持ってるのは。
水凍っていくときのパターンに右手左手型があって、それが元なんじゃないか説とかもある。
へー。
おもろくないですか。
でもなんで左から?って感じするけどね。
まあそれはわかんないけど、そもそも左右非対称になるっていう起源がどこかわかってないわけよね、世界で。
うんうんうん。
水の可能性すらあるっていう。
でもさ、そもそもどうやって水が氷になっていくのかわかんないから、あれだけどさ、でも普通に考えて自由に動き回ってるのがだんだん成立するわけでしょ。
それってさ、別に左向きも右向きもランダムに50%50%の確率で起こりそうだけどね。
わかんない。そのナリエルっていう。
ナリエル?
その配列の並び方のパターンとして左右非対称になって、でもさ確率的にちょっと偏って、そのちょっと偏ったやつが結晶化してったら、確かに片方になりそうだなとか思うけどね。
確率的にちょっと偏って?
確率的にさっき50%50%って言ったけど、ほんとに1分子の単位でさ、50%50%にはならないじゃん多分。
でもそれってさ、水分子もうこの世に何個いるって感じじゃん。
まあね。
で、それをさ全部見たらさ、もうほぼ50%なんじゃない?だって。
まあそう、ほぼ50%なんだけど。
まあ1個1個とか2個の差はあるかもしれないけど、知ってる世界である水分子の量を考えたら。
そうなんだけどさ、でも昔さわかんないよ。昔宇宙の最初の方とかでさ、それがきっかけでそこからどんどん左手で増幅してるとかあるかもしれないじゃん。
え、なんで水がかかるの?そのアミュラさんに。
いやわかんない。でも水がある環境では生き物生まれてるからさ、影響なくはないかもなーとか言ってる人はいる。
なるほどね。
うん。まあこれはいろんな説ありますよ、もちろん。
不思議だ。
不思議だよね。これこそまあまあ未解決なんですけど。
水の未解決な性質
もしかしたらこの話題を取り上げるポッドキャスト番組もあるかもしれないですね。わかんないけど。
いやわかんないけどね。まあ未解決問題として結構よくあるからなこれ。
未解決問題いっぱいありすぎる。
生物の起源とかもね、よくある話ですけど。
うん。
いやでもこう水のやつをさ、俺もうここ1週間ぐらいもうずーっと調べてたけど、
うん。
でもなかなか答えはないわけですよ。
うん。
だからすごい大変だし伝えにくいんだけど、
うん。
なんていうの、未解決なことって現代人嫌うじゃん。
え、私好きだよ。だって面白いじゃん。
あ、そう。面白いってなるんだけど、なんていうの、すぐ答えが欲しくなる現代人多いかなと思って。
まあね。だからこそチャットGPTとかにさ、聞こうとするんだよね。
そうそう。
デモ版回答を求める。
すごい短いコンテンツで、さっと答え見たいみたいな流行りじゃないですか。
そうだね。
そうそう。
ちゃんと始めに結論いいやみたいなね。
うん。でもこの答えがない感じとか、この未解決な感じを楽しみたいみたいな。
これポッドキャストにマッチしてるよなみたいなのもある。
だし、まあそういうの楽しめるのが研究者なんじゃないですか。
そうそう。
そういうの楽しめなくて答えが欲しいってなるのは、研究に向いてないかも。
いや、そんな断言しなくてもいいと思うけど別に。
まあまあ、だからそこに、少なくともそこに情熱を注いでる研究者いるよっていうのはなんか、伝わったらいいなみたいな感じしたなすごい。
だって現代でこんな水の研究してますって。
うん。
俺もそんな詳しくなかったし、調べるまで。
研究なんてあるんだね。
水は水じゃんって。
ね、もう分かってるじゃんって思ってそうだけど。
そう。ただの一素材でしかないんだよね。
うんうん。
やっぱ現実世界は複雑なわけですよ。
でもさ、水も分かんないったらさ、機体も分かんないじゃん。
機体の動きとかもさ。
機体がどうやって水になるのかっていうとことかもさ、ちょっと難しいんじゃん。
あ、そうね。観察するの難しいんじゃないかな。
うんうん。
割とね、機体だとその一分子の動きとかを調べるとかをやりやすいらしいけど。
そうなんだ。機体の方がなんか早そうだけどね、動き。だって制約ないじゃん。
うん。でもね、多分分析技術がマッチしてるんだと思う。
うんうんうん。
分子同士のさ、結合がないからさ、そんなに。
あー、確かに。その分シミュレーションはしやすそう。
そうそうそう。液体はもう分子同士が関わり合っちゃってるから、もう複雑。
なるほどね。
っていうのがあるらしい。
じゃあ、その機体から液体へどういうふうになっていくかとか、それは難しそうだね。
難しそうだね。面白そうでも、その研究も。
そういう研究してる人もいるかな。
いると思うよ。
うーん、いろんな研究してる人いるんですね。
いや、本当にね、まだまだ身近なことでも研究してる人いっぱいいるってことです。
うん。
氷が浮かぶ理由
ということで今回は、なぜ氷は水に浮くのかっていうとてもシンプルな質問に対して深掘りしていった回でした。
はい。
結論は氷の体積が大きくなるっていう理由はいろいろ水素結合の話とかもしましたけど、
うん。
そのパターンとかもいっぱいあって、そもそも水と氷の形を僕たち全部わかってるわけでもないと。
うん。
未解決だらけだねっていう話です。
ですね。
はい。
うん。だから今度から水飲む時はそういうことを考えながら飲みましょうっていうことですかね。
あ、そうね。水の日も感じて飲んでください、水を。
水の日も感じて。
感じられないと思うけど。
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そしてなんといっても今回はね、未解決というテーマで科学系ポッドキャストの非企画を開催しておりますので、
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というわけで今回もありがとうございました。
ありがとうございました。
