コップに氷を入れると、水面に浮かびます。当たり前のように思っていますが、よく考えてみると不思議な現象です。固体は通常、液体よりも重いはずなのに、なぜ氷だけは浮くのでしょうか。これは水が持つ特別な性質によるものです。
この記事では、氷が水に浮く理由を、その仕組みからわかりやすく解説します。おいしい氷の作り方についても紹介しますので、ぜひ参考にしてみてください。
氷が水に浮く科学的な仕組みや水独特の性質をはじめ、家庭でできるおいしい氷の作り方と浄水型ウォーターサーバーの活用法について解説します。
密度の違い：
氷（固体）の密度が水（液体）より小さく（軽い）なるため、水面に浮かびます。
格子構造による体積の増加：
水が凍ると水分子が規則正しい「格子構造」を作り、分子間に隙間が生まれるため、体積が約9％増加して密度が下がります。
生態系への影響：
氷が水面に浮いて断熱材の役割を果たすことで、冬場でも湖底の凍結を防ぎ、水中の生き物の生命を守っています。
不純物の影響：
水道水に含まれる残留塩素（カルキ）や空気が氷の中に閉じ込められると、溶け出した際にカルキ臭の原因となります。
カルキ除去の重要性：
浄水器等で塩素を取り除いた水を使うことで、余計な臭みがなく飲み物の味を邪魔しないおいしい氷を作ることができます。
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目次
氷が水に浮く理由は、氷（固体）の密度が水（液体）の密度より小さいからです。密度とは「同じ体積の中に、どれだけの質量が詰まっているか」を表す数値です。
わかりやすく例えると、同じ1Lのコップに満たした場合、水は約1kgですが、氷は約0.917kgになります。※1
密度が小さい（＝軽い）ものは、密度が大きい（＝重い）液体の中で浮き、密度が大きいものは沈みます。氷の密度（0.917g/㎤）は水の密度（1.00g/㎤）より小さいため、氷は水の上に浮くのです。※1
ほとんどの物質は、固体になると体積が縮んで密度が上がり液体に沈みます。ところが水は例外で、固体である氷の方が液体の水より体積が大きくなります。なぜこのような現象が起こるのか、水分子の性質からみていきましょう。
水は水分子（H₂O）でできています。H₂Oとは、酸素（O）1個と水素（H）2個が結合した小さな分子です。
この水分子には、隣の分子と「水素結合」と呼ばれる引力でくっつく性質があります。水素結合は弱い引力ですが、液体の状態では水分子が動き回りながら互いにくっついたり離れたりを繰り返しています。この動きが活発なうちは、分子同士の隙間が比較的少なく、密度が保たれています。
一方で一般的な物質は、液体の状態の方が、分子が動き回るため分子1個あたりの体積が大きくなり（密度が低くなり）ます。固体になると狭い場所に固まり密度が高くなるため、固体のときは液体に沈みます。※1
水が0℃以下になると凍りますが、氷になると水素結合が規則正しいパターンになり固定されます。※1
この状態を「格子構造」と呼び、雪の結晶の六角形に代表されるような、骨組み状の形をしています。
格子構造の最大の特徴は、液体の水と比べて「隙間が多い」ことです。液体のときは水分子が自由に動いて隙間を埋め合っていますが、固体になると骨組みの間に空間が生まれます。その結果、氷になると体積が約9％増加し、同じ質量でも占める体積が増えて密度が下がります。
つまり「密度が下がる＝軽くなる」ため、氷が水に浮くようになります。※2
水の密度が最大になるのは4℃のときです。最も重い4℃から0℃に近づくにつれて、水分子は水素結合による格子構造を少しずつ形成し始め、体積がじわじわと増えていきます。やがて0℃になって完全に氷になると、液体の4℃の水より明らかに軽い状態になります。
一方で4℃を超えて温度が上がると、熱運動が激しくなるため分子間の空間が広がり、密度は下がっていきます。水にとって4℃という温度は、水素結合の影響と熱による膨張の両方が、ちょうど釣り合う点なのです。※3
固体が液体より軽いのは、とても珍しい現象です。自然界では水だけが持つ特別な性質が、地球の生命を支える大切な役割を果たしています。
ほとんどの物質は、固体の密度の方が液体のときより大きくなります。密度が上がると同じ体積でも重くなるため、固体は液体に沈んでしまいます。
しかし、水は数少ない例外であり、固体（氷）が液体（水）に浮くという非常に珍しい物質です。※1
もし氷が水に沈む性質を持っていたらどうなるでしょうか。
冬になると湖は底から凍っていき、水中の生き物は生存できなくなってしまいます。しかし、実際には氷が水面に浮いて湖の表面を覆い、断熱材のような役割を果たします。
水面が氷で覆われることで、その下の水は冷気から守られ4℃前後の温度に保たれます。魚をはじめ水中の生き物が厳しい冬を乗り越えられるのは、氷の不思議な性質があってこそと言えるでしょう。
このように、自然界では特異な性質を持つ氷ですが、人間にとっては非常に身近な存在です。その中でも氷を使うのは冷たい飲み物を飲むときではないでしょうか。
そこで今回は、家庭でおいしい氷を作るポイントを紹介します。
コンビニやスーパーで売られている氷は、家の冷蔵庫で作る氷より透明度が高くおいしいと感じます。これはゆっくり凍らせているためで、水に溶けている不純物が少ないほど、氷は透明になり余計な臭みも出にくくなります。つまりおいしい氷を作るには「不純物を減らす」ことが重要なポイントとなります。
水道水は水道法により、蛇口で検出される残留塩素濃度を0.1mg/L以上保持するよう義務付けられています。※4
これは衛生上必要な措置ですが、塩素が水道原水中の成分と反応すると、カルキ臭の原因となる「クロラミン」が発生します。特にトリクロラミンは微量でもツンとした不快なにおいを感じるとされ、カルキ臭の主な原因となっています。
塩素が残ったままの水で氷を作ると、塩素成分がそのまま氷の内部に閉じ込められます。それが飲み物に入れて溶け出す際に一気に揮発し、カルキ臭が気になることがあります。※5
塩素（カルキ）を取り除いた水で氷を作ると、余計な臭みが出にくくなります。したがって水道水を浄水器に通すことで、水や氷のカルキ臭を抑えることができます。
氷だけでなく、コーヒーやお茶、ハイボール等、飲み物本来の味や香りを邪魔しにくくなるため、飲み物の味にこだわる方にもおすすめの方法です。※5
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氷が水に浮くのは、氷の体積が増えることで密度が下がるからです。
固体（氷）が液体（水）より軽くなるのは自然界では稀なことで、この性質が湖の水底を凍らせず、水中の生き物の生命を守る役割を果たしています。
水道水の氷を飲み物に入れると塩素成分が溶け出してカルキ臭を感じる原因になります。そういったときは、浄水した水を使って氷を作れば、臭みの少ないおいしい氷が作りやすくなります。
Loccaなら水道水を注ぐだけで塩素を除去した水がいつでも使えるので、おいしい氷を手軽に気兼ねなく楽しめます。
