氷はなぜ水に浮く？水との重さの違いを解説
氷が水に浮くのは、同じ大きさで比べると、氷のほうが水より軽いからです。これを「氷は水より密度が小さい」といいます。水は凍ると体積が増えるため、同じ体積の中に含まれる水の重さが小さくなり、水に浮くのです。
ただし、水が凍ったとたんに、もともとの水の重さが減るわけではありません。「同じ量の水が凍ったとき」と「同じ大きさの水と氷を比べたとき」を分けると、しくみがわかりやすくなります。
氷と水は、同じ体積ならどちらが重い？
例えば、同じ大きさの容器に水と氷がそれぞれ入っているとします。水のほうが重く、氷のほうが軽くなります。
水や氷の「一定の体積あたりの重さ」を表すのが「密度（みつど）」です。密度が小さいものほど、同じ大きさでも軽いことになります。
ニチレイの「氷の実験室」に示された値では、0℃の水の密度は約1.00グラム／立方センチメートル、氷は約0.917グラム／立方センチメートルです。つまり、同じ100立方センチメートルで比べると、水は約100グラム、氷は約92グラムになります。
これは、氷が水の約9割ほどの密度しかないことを表しています。
水が氷になると、重さはそのままで体積が増える
水を冷凍庫で凍らせても、こぼれたり蒸発したりしない限り、水そのものの重さは基本的に変わりません。一方、占める場所の大きさである「体積」は増えます。
ニチレイは、300ミリリットルの水が凍ると、氷の体積は約330ミリリットルになる例を紹介しています。凍る前に約300グラムだった水は、凍ったあとも約300グラムですが、体積はおよそ1割増えるのです。
同じ重さなのに大きくなるため、氷は水よりも「すき間の多い、軽い状態」になります。水に入れると、その密度の違いによって浮きます。
どうして凍ると水の体積が大きくなるの？
水は、とても小さな「水分子（みずぶんし）」が集まってできています。液体の水では、分子が動き回りながら、近づいたり離れたりしています。
ところが水が凍ると、水分子同士が「水素結合（すいそけつごう）」という引き合う力によって、規則正しく並びます。普段の氷では、分子が六角形を基本とする結晶の形に並ぶため、分子の間に液体のときより大きなすき間ができます。
名古屋大学の「海洋50のなぜ」でも、この氷の結晶のすき間が大きいことを、水に浮く理由として説明しています。
一般に、多くの物質は液体から固体になると、分子がより詰まって密度が大きくなります。しかし、普通の氷は、凍るとすき間が広がるという特徴があるのです。
氷が全部沈まず、一部分だけ水面に出るのはなぜ？
水の中に物を入れると、上向きに押し上げる「浮力（ふりょく）」が働きます。その力の大きさは、物が押しのけた水の重さと等しくなります。これは「アルキメデスの原理」と呼ばれ、日本機械学会の実験解説にも説明されています。
氷が水に入ると、初めは水中に沈みかけますが、水から押し上げる力が氷自体の重さとつり合うところで止まります。
普通の氷の密度は水の約9割なので、氷の体積のおよそ9割が水の中、残りの約1割が水面の上に出た状態で浮きます。アメリカ地質調査所も、氷の大部分は水面下に隠れていると説明しています。
コップに浮いた氷も、海の氷山も、この浮力と重さのつり合いで浮いています。
氷が溶けると、コップの水面は上がる？
水に浮かぶ氷が溶けても、ほかに水が加わらなければ、水面の高さは基本的に変わりません。
浮いている氷は、自分の重さと同じ重さの水を押しのけています。氷が溶けて水になると、その水の量は、もともと氷が押しのけていた水の量にちょうど相当します。そのため、氷が溶けても水面は上がりません。
日本機械学会やNGKサイエンスサイトでは、コップや透明な容器に浮かべた氷が溶けても、水面の高さが変わらないことを紹介しています。
確かめたい場合は、透明なコップに水と氷を入れ、最初の水面に印を付け、氷が溶けるまで観察してみましょう。途中で水を足したり、こぼしたりしないことがポイントです。
冬の湖が表面から凍ることにも関係している
水には、約4℃のときに密度が最も大きくなるという特徴もあります。理化学研究所や京都大学は、水を4℃より冷やすと、かえって密度が小さくなると解説しています。
冬の湖では、冷えて密度が大きくなった水が下へ沈み、さらに冷えた表面近くの水は下へ沈みにくくなります。そして表面の水が凍ると、その氷は沈まずに浮き続けます。
表面を覆った氷は、下にある水が外の冷たい空気で急激に冷えるのを抑える働きもあります。氷が水に浮く性質は、コップの中だけでなく、冬の池や湖の環境にも関わっているのです。