氷の画像
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密度とは何か、計算方法と固体と液体で密度が違う理由

密度とは、1立方cmあたりの質量です。
気体のように、1立方cmあたりだと数値が小さいときは、1Lあたりの質量を使う場合もあります。

いろいろな固体の物体の1立方cmあたりの質量を求めるためには、物体の質量と体積をはかります。
例えば、ある物体は300gで50立方cmだとすると、1立方cmでは「300÷50=6g」になります。

つまり、質量÷体積=1立法cmあたりの質量=密度になります。

1立方cmあたり○gですから、単位は「○g/立方cm(g/cm3)」と表します。
読み方は「グラム毎立法センチメートル」です。

密度は、物質の種類によって決まっている値です。
だから、密度を求めるとそれがどんな物質かを知る手がかりとなります。


様々な物質の密度を数値にすると下記のようになっています。

・亜鉛 → 7.1
・アルミニウム → 2.7
・カリウム → 0.86
・カルシウム → 1.5
・金 → 19.3
・銀 → 10.5
・水銀 → 13.6
・鉄 → 7.9
・鋼 → 8.9
・ナトリウム → 0.97
・鉛 → 11.3
・マグネシウム → 1.74
・ひのき → 0.49
・エタノール → 0.79
・メタノール → 0.79
・氷 → 0.92

密度と物の浮き沈み

水の密度1g/立法cmよりも密度が大きい物質を水に入れると沈み、密度が小さい物質を水に入れると浮きます。
液体の金属の水銀(13.6)には、鉄(7.9)も浮いてしまいますが、タングステン(19.3)のような密度の高い物は沈んでしまいます。

木片は水に浮くというイメージがあると思います。
たしかに「ひのき」の密度は「0.49」と密度が低いので水に浮きますが、これが「こくたん」の木片になると密度は「1.1~1.3」と水よりも密度が高くなるのでやはり水に沈むのです。


固体と液体の密度

水を固体である氷にして水の中にいれると水に浮くため、個体のほうが液体より密度が小さいと思われるかもしれません。
たしかに氷は水より密度が小さいのですが、普通の物質は、同じ物質の液体と固体では、固体のほうが密度が大きくなります。

物質をつくっている分子は、液体と固体では、固体のほうがギッシリとした集まり方になっています。
固体では、分子と分子の距離が近く、引き合う力は強く、それぞれ自分の場所から動けません。
液体のほうが、分子と分子の距離があいていて、引き合う力が固体の場合よりも弱く、分子はあちこちに動けます。
液体が固体と違って入れ物によって形が変わることを考えればわかるでしょう。
つまり、ふつうの物質では、固体のほうが密度が大きく、同じ物質の液体の中にいれると沈んでしまうのです。

では、氷の場合、なぜ逆になっているかというと、それは体積が増えることが原因になっています。
水を氷にすると大きくなることを知っている人も多いと思いますが、大きくなるということは、それだけ密度が小さくなるということを示しています。
このように、水が氷になるとき体積が増えるのは、氷は水分子が規則的に結びついた隙間の多い構造をしているからです。
とけて液体になると、部分的に結晶構造が崩れて隙間の一部に水分子がより緊密に詰め込まれるので、氷よりも高い密度をもつようになるのです。
水のように密度が「固体<液体」という物質は、ゲルマニウム、ビスマス、ケイ素など、ごく限られています。

北極のように寒い地で、湖などが表面だけ氷が張っているというのを知っている人も多いと思いますが、これは氷のほうが水よりも密度が低く、水に浮くからで、このおかげで水中の生物は凍りつくことなく生きていることができます。



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