水はなぜ0度で凍る？氷になるしくみ
水が0℃で凍るのは、ふつうの気圧のもとでは、純粋な水が液体から氷へ変わる温度が約0℃だからです。水を冷やすと、水を作る小さな粒「水分子」の動き方が変わり、分子が規則正しく並んだ氷の結晶を作れるようになります。
ただし、0℃に達した瞬間に水が全部凍るわけではありません。氷になり始めるきっかけが必要で、凍っている間も周囲へ熱を逃がす必要があります。条件によっては0℃以下でも液体のままになることがあります。
水が凍る温度が「0℃」なのはなぜ？
普段の生活で使う温度の単位「℃（度）」は、昔、水が凍る温度と沸騰する温度を目安にして作られたものです。そのため、水が凍る温度を約0℃と呼ぶようになりました。自然界に「0」という数字が特別に用意されているわけではありません。
アメリカ国立標準技術研究所（NIST）によると、現在使われる摂氏温度のもとになった目盛りは、水が凍る温度と沸騰する温度を利用して発展しました。現在の温度の定義は、昔の温度計の目盛り方とは異なり、0℃は絶対温度の273.15ケルビンに当たります。産業技術総合研究所も、この関係を説明しています。
国立天文台が編集する『理科年表』の解説では、1気圧のもとで水の凝固点は0℃とされています。ここでいう「凝固点（ぎょうこてん）」は、液体が固体に変わる温度のことです。
水が冷えて氷になると、分子はどう変わる？
水は、酸素と水素からなる「水分子」がたくさん集まってできています。液体の水では、水分子が互いに近づいたり離れたりしながら、位置を変えて動いています。そのため、コップの形に合わせて流れます。
水を冷やしていくと、分子の動きに関係する熱エネルギーが小さくなります。氷になったときには、水分子が「水素結合」という力によって、規則正しく並んだ形を保つようになります。これが氷の結晶です。
名古屋市科学館は、水分子の酸素側と水素側に電気的な偏りがあり、分子同士が引き合うことを説明しています。氷では、近くにある4つの水分子との結び付きが、結晶の形を支えています。
凍ることで水が別の物質に変わるわけではありません。水も氷も同じ水分子でできていて、分子の並び方や動き方が違うのです。なお、氷の中の分子も完全に動きを止めるわけではなく、決まった位置の近くで小さく振動しています。
水が凍り始めるとき、何が起こる？
水が氷に変わるには、分子が集まって、最初の小さな氷の結晶を作る必要があります。この結晶ができ始めることを「核生成（かくせいせい）」といいます。
冷やされた水の中で小さな氷の結晶ができると、それをきっかけに周りの水分子が次々と結晶に取り込まれ、氷が広がっていきます。コップの中で氷が急に増えるように見えるのは、このためです。
日本冷凍空調学会は、水分子が集まって結晶のもとになる場合と、水の中にある小さな粒や容器の壁が、氷の結晶を作るきっかけになる場合があると説明しています。
つまり、0℃という温度だけでなく、氷の結晶ができ始めるきっかけも、実際に凍り始めるタイミングに関係します。
0℃になっても、すぐ全部凍らないのはなぜ？
水を冷やすと、普通は温度がだんだん下がります。しかし、0℃付近で氷ができ始めると、凍り終えるまで温度がほぼ一定に保たれることがあります。
これは、液体から固体へ変わるときに「凝固熱（ぎょうこねつ）」という熱を周囲に放出するためです。水がすべて氷になるには、その熱を外へ逃がし続ける必要があります。
アメリカのテネシー大学の物理学教材でも、0℃の水から熱を取り除くと、すぐにさらに温度が下がるのではなく、まず氷へ変わり、凝固するときに熱を放出すると説明されています。
例えば、冷凍庫に水を入れても、一瞬で氷のかたまりになるわけではありません。水が冷え、氷ができ始め、凍るための熱が外へ逃げるまで時間がかかります。全部凍ったあとは、氷の温度が0℃より低くなることもあります。
0℃より低いのに、水が凍らないこともある？
あります。水が0℃以下になっても、氷の結晶を作るきっかけができず、液体のままでいることがあります。この状態を「過冷却（かれいきゃく）」といいます。
日本冷凍空調学会は、過冷却を「本来は氷が安定する温度になっても、結晶が現れず液体の状態が続いていること」と説明しています。雲の中の小さな水滴などでも見られる現象です。
過冷却の水に氷の結晶ができるきっかけが生じると、そこから急に凍り始めることがあります。水は必ず0℃になった瞬間に凍り始める、というわけではないのです。
塩水や砂糖水も0℃で凍る？
純粋な水と、何かが溶けている水では、凍る温度が異なります。例えば、水に塩を溶かすと、普通の水より低い温度にならないと凍りにくくなります。これを「氷点降下（ひょうてんこうか）」といいます。
公益財団法人塩事業センターは、塩水の濃度が高くなるにつれて、凍る温度が下がると説明しています。つまり、「水は0℃で凍る」は、ふつうの気圧で純粋な水を考えた場合の基本です。
ジュースや食品にも糖分や塩分などが含まれているため、純粋な水とは凍り方が違います。冷凍庫の温度が同じでも、水とジュースが同じ速さで凍るとは限りません。
0℃では水と氷が一緒に存在できる
0℃は、氷に変わる温度であると同時に、氷が溶けて水になる温度でもあります。ふつうの気圧では、水と氷が同じ場所にあり、両方が一緒に存在できる温度です。
氷に周りから熱が入ると溶ける方向へ進み、水から熱が奪われると凍る方向へ進みます。どちらへ変わるかは、熱が出入りする向きによって変わります。
水の温度を0℃まで下げることだけでなく、熱の出入りと氷の結晶のでき方まで考えると、身近な「水が凍る」という現象が、よりよく理解できます。