氷は水に沈まない。固まると軽くなるの？

氷が浮く理由を、同じ水が凍る場合と同じ体積を比べる場合に分けて解説。質量と体積の違い、親子で氷を観察するときの注意点をまとめます。

水に氷を入れたとき、「どうして上にいるの？」と聞かれたら、どう答えますか。「氷は軽いから」と言いたくなりますが、それだけでは、水が凍ると重さが減るようにも聞こえます。身近な氷を眺めながら、「重さ」と「大きさ」を少し分けて考えてみましょう。

この記事の要点

氷は液体の水より密度が小さいので浮く。
同じ水が凍ると体積は増えるが、出入りがなければ質量は変わらない。
浮く様子の観察と、密度を測ることは別。

比べるのは、同じ大きさの水と氷

氷が水に浮く理由は、液体の水よりも密度が小さいためです。密度とは、決まった体積の中にどれだけの質量があるかを表すもの。子どもには「同じ大きさで比べると、水より氷のほうが軽いんだよ」と言い換えられます。USGS「Water Density」

ここで大切なのは「同じ大きさで比べると」という部分です。大きな氷とスプーン一杯の水を比べる話ではありません。「どちらも同じ大きさの箱いっぱいだったら？」と、比べる条件をそろえて話すのがポイントです。

同じ水が凍っても、質量は変わらない

一方、ある量の水をそのまま凍らせる場合、水が外へ出たり、外から加わったりしなければ、凍る前後で質量は変わりません。米国化学会「Conservation of Mass」

変わるのは占める空間、つまり体積です。水は凍ると体積が大きくなります。LPIの氷の教材

「同じ量の水が、少し広い場所を使うようになる」と説明すると、重さが減る話と区別しやすくなります。さらに知りたがったら、水をつくる小さな粒である分子の並び方が、凍ると変わることにも触れられます。いつもの氷では、液体のときより分子の間に空間のある並びになります。USGSの解説

幼い子には、密度という言葉を覚えてもらう必要はありません。「浮くんだね」「全部が水の上に出るわけではないね」と、見つけたことを言葉にするところから始められます。

二つの比べ方を分けた模式図です。粒の数・間隔や枠の大きさは実測値や分子構造を表しません。

親子で見るなら、大人が氷を入れて観察

ここからは編集部の家庭向け提案です。割れにくい透明な容器に水を入れ、大人が氷を入れます。容器は安定した台の上に置き、下にタオルを敷いておきましょう。子どもは横から、氷のどこまでが水の中に入っているかを眺めます。

入れる前に「上に行くかな、下に行くかな」と予想してもよいですが、正解当てにしなくても大丈夫です。「水の線はどこ？」「少し待つと形はどうなる？」と、見えることを一つずつ話してみてください。観察する氷は口に入れず、小さな子の手の届く所に放置しません。凍らせる作業や、氷を細かく割る作業は、この観察には必要ありません。