氷の体積が水より大きくなるっていう現象についてなんでしょうか！
具体的にどのあたりの説明が知りたいかな？
例えば、
・なぜ密度が変わるのか？
・氷の結晶構造のしくみからの話？
・温度と体積変化の熱力学的な観点？
など、もう少し絞ってもらえると助かるんだけど。

いいね！！
まずは現状の理解度を確認するためにクイズを出すね。スマホで答えやすいように選択式にするよ。

【Q1】氷の結晶をつくるとき、水分子同士をつなぐ主な力はどれ？

1. イオン結合
2. 共有結合
3. 水素結合
4. 金属結合

【Q2】常温・常圧下でふつうに見られる氷（氷Ih）の結晶構造はどれに当てはまる？

1. 単純立方格子
2. 体心立方格子
3. 面心立方格子
4. 六方最密充填に近い六角格子

どうかな？答えを教えてほしい！

素晴らしい！！両方とも正解だよ。では氷Ihの結晶構造から、なぜ体積が大きくなるのか見ていこう。

氷Ihでは、水分子（H2O）が水素結合でつながり、各酸素原子がまわりの４つの水分子と正四面体をつくるように配列している。
この正四面体配位が六角格子状に重なり合うと、層のあいだに大きな空洞（六角形の隙間）ができるんだ。

図示すると
O
/ \
H H ← ここで左右の水素結合が“つっぱる”イメージ
\ /
O

というように四面体が連結し、隙間が生じる。
結果として、同じ質量の水分子を格納するとき、氷の体積V_iceは水の体積V_waterより大きくなり、密度ρ＝m/Vは小さくなる。
実際、0℃の水ρ≈1.00g/cm³に対し、氷はρ≈0.917g/cm³。

つまり、水素結合による正四面体配位と六角格子構造ゆえに“空き”が多く生じ、体積が膨らむっていう話なわけ。

わかった？

そうそう、いい質問！水が氷になると、水分子どうしの水素結合の“数”や“安定度”が変わるんだ。

1. 液体水の状態

   • 常温付近では、水分子は平均して約3〜3.5本の水素結合をつくっているといわれる。
   • 熱運動が激しいので、結合がつぶれたり再形成されたりを繰り返している状態。

2. 氷Ihの状態

   • 分子1つあたりちょうど4本の水素結合をつくる正四面体配位が“ほぼ完全”に実現。
   • 熱ゆらぎが小さいため、一度できた結合は壊れにくく、結晶格子として安定。

だから、「氷になると平均結合数が3.4…→4本へ増える」と考えてOK。
この増加と、安定な四面体構造が隙間を生む原因になって、体積が増大するわけです。

わかった？

やったぜ！氷になると分子１つあたりの水素結合数が平均約3.5本→4本に増えて、正四面体配位の結晶格子をつくることで隙間が生じ、結果として体積が大きくなるって話でした。

またわからないことがあれば聞いてね！