氷の不思議

　製氷皿で作った氷とかき氷専用の容器で作った氷を、削る前によく観察してみましょう。何か違いはなかったでしょうか？たぶん、製氷皿で作った氷は、外側は無色透明であっても中心付近は白く濁っていると思います。一方、かき氷専用の容器で作った氷は、無色透明な部分が大きくて、白く濁った部分は、ほとんどないか中心付近に少し残っているだけではないかと思います。この氷が白く濁った部分というのは、容器に入れた水に溶け込んでいた空気が気泡となって現れて、そのまま氷に取り込まれて残っている部分です。小さな気泡がたくさん集まっているので、光が当たるといろいろな方向に反射されて（散乱と言います）、白く見えるのです。透明な氷を削ってかき氷にすると、白く見えるようになるのと同じです。

　さて、製氷皿で作った氷のほうがこの気泡をたくさん含んでいるので、この氷を削るとザクザクとしたかき氷ができます。しかし、かき氷専用の容器で作った透明で硬い氷を削ると、ちょうどかんなで木を削ったときと同じように、紙のように薄く削れるので、ふわふわのかき氷になるのだと思います。

　よりふわふわで美味しいかき氷を作るには、気泡を含まない透明な氷を使うことが大事になりますね。かき氷専用の容器は、できるだけ気泡が入らない氷が作れるように工夫されています。さらに気泡が少ない氷を作るには、水を一度沸騰させてから、十分冷まして容器に入れると良いでしょう。こうすると、もともと水に溶け込んでいた空気をかなり追い出すことができます。今度かき氷を作るときに、ぜひ試してみてください。

（回答掲載日：2026年8月27日）

　冷蔵庫のなかでつくった氷を外に出すと、とけてしまいますね。これは、氷は温度が0度以上では固いかたまりのままではいられないからです。こういうかたまりのもの（ちょっとむずかしいことばでは、”物質”といいます）がとける温度は、それぞれのかたまりごとに決まっています。氷では０度ですが、たとえばろうそくのろうなどは、もっと高くて50度以上にならないととけません。ぜったいにとけそうもない鉄などでも、1000度よりも高い温度になるととけてしまいます。

　しかし、人が汗をかくのは、とけたわけではありません。暑くなると、もともと体の中にある水分が体の表面にでてきただけですね。このように、わたしたちのまわりには、とけるものととけないものがいろいろまじっているのはおもしろいですね。

　さて、アイスがとけるのはどうしてかですが、アイスの中には小さな氷のつぶがたくさん含まれているからです。アイスをあたたかいところにおいておくと、この氷のつぶがとけはじめてしまいます。このため、アイスはだんだんやわらかくなり、やがてドロドロにとけてしまうのです。

　アイスは、とけていなくても、口に入れるとなめらかなものやかたいものなど、いろいろありますね。これは、アイスの中にある氷のつぶの大きさにかんけいしています。つぶの大きさがものすごく小さいとなめらかになり、つぶが大きくなるとざらざらしてかたくなってきます。

　アイスの中の氷のつぶは、じつはとても小さくて、虫眼鏡や顕微鏡を使ってもなかなか見ることができません。しかし、アイスの中には氷のつぶだけではなく、空気のかたまりや脂肪のかたまりなど、いろいろなものが含まれています。それらは見ることができると思いますので、チャレンジしてみてください。

　また、アイスをあたたかいところにおくと、中の氷のつぶはすぐにとけはじめてしまうことも、見ることがむずかしい理由です。じっさいには、アイスをとかさないで見ることができる特別なきかいを使ったり、「電子顕微鏡」とよばれるもっと小さなものまで見ることができる特別なきかいを使ったりします。いろいろくふうをすることで、ようやく氷のつぶを見ることができるようになるのです。

（参考）アイスクリームの中を顕微鏡で観察した時の写真は、アイスクリームのメーカーや電子顕微鏡の会社のホームページなどに掲載されていることがあります。少し難しいですが、たとえば以下のサイトなどを参考にしてください。

（回答掲載日：2026年8月8日）

　チンダル像とは、氷の単結晶に光を当てると、”結晶の内側”から解けだしてできる、円盤や六角の樹枝状の形をした像のことを言います。氷が融けることでできるので、像の内部は液体の水で満たされています。チンダル像を作る時に使う氷の単結晶は、通常は純水を凍らせて作ります。では、純水ではなく溶質が混ざった水溶液を凍らせて作った氷を使った時でも、同じようなチンダル像を作ることができるかというのが今回のご質問です。

　答えは、純水で作成した氷でも水溶液から作った氷でも、同じようにチンダル像を作ることができます。すなわち、たとえ水溶液から氷を作っても、出来上がった氷は純水を凍らせて作る氷と全く同じ性質をもつからです。これは、水溶液が凍るときは水分子だけが結晶に取り込まれて、溶質の成分は氷の結晶からは吐き出されてしまうからです。このため、出来上がった氷の結晶には溶質成分が含まれないため、もともと純水から作った氷と完全に同じものになります。

　では、水溶液を凍らせて氷を作る時に、どんなことが起きているのかをもう少しだけ詳しく説明しましょう。容器に水溶液を入れて、それを冷やしていくと氷が発生します。氷の結晶は成長とともに溶質の成分を吐き出しますので、その成分は水溶液の中に取り残されます。こうして、氷の成長とともに、残った水溶液の中の溶質の濃度はだんだん高くなるということになります。やがて、水溶液全体が凍ると、溶質成分は氷と氷の隙間などに取り残されてしまいます。

　例えば、色のついたジュースなどを冷凍庫で凍らせると、一見一様な色のついた氷になっているように見えます。しかし、拡大して観察すると無色透明な氷の部分とその隙間に濃縮されてジュースの成分に別れているのが分かります。凍ったジュースを口に入れると、最初の液体の時より甘く感じると思いますが、それはジュースの成分が濃縮されて残っているからです。

　最後に宿題です。冷凍庫の中で、自分で水道水を使って氷を作ると、できた氷の中心部分に真っ白な部分ができることがあります。このような白い部分造ができる理由も、実は上に説明したことと関係しています。その理由をぜひ考えてみてください。お答えをお待ちしています。 

（回答掲載日：2026年6月16日）

　氷とドライアイスは、どちらもとても冷たくて、何かを冷やしたいときに便利ですね。氷は、よく知っているように水が凍ってできたものですが、ドライアイスは二酸化炭素（炭酸ガス）でできた固まりです。この二酸化炭素というのは、私達の地球の空気中に含まれていて、最近いろいろと話題になる地球温暖化を引き起こす物質の一つとして知られていますね。

　氷とドライアイスは、その原料が違うために、その性質も大きく異なっています。氷は、0℃で融けてしまいますので、氷で何かを冷やしてもこの温度までしか冷やすことができません。一方、ドライアイスは、この温度がおよそ−79℃と氷よりもずっと低い温度になります。台所にある冷凍庫の温度は、せいぜい−20℃くらいですので、これより60度近くも低い温度ですね。したがって、氷よりもドライアイスのほうが、より冷やすことができるということになります。ドライアイスから白い煙のようなものがでているのは、ドライアイスの固まりの周囲にある空気もものすごく冷やされますので、空気中にあった水分が霧となって見えているのです。

　しかし、氷とドライアイスでは大きく違う点があります。氷は時間がたつと融けて、液体の水にもどります。しかし、ドライアイスは、時間がたっても液体にはならず、その固まりがだんだん小さくなるだけで、そのまま消えてしまいます。これは、ドライアイスは、固まりの状態から直接気体である二酸化炭素となって、空気中に広がってしまうからです。

　最後に、ドライアイスをあつかうときの注意を書いておきましょう。ドライアイスは、−79℃ととても冷たいので、素手で触ると皮膚がくっついてしまったり、凍傷になったりしてしまいます。したがって、軍手などの少し厚めの手袋をつけてあつかうことがとても大事です。また、ドライアイスを換気の悪い場所におくと、ドライアイスから発生した二酸化炭素のガスがあたりに充満します。その中に入ると、酸素がなくなって呼吸ができなくなりとても危険です。もし、ドライアイスを使うときには、屋外や換気の良い場所であることを十分に確かめて、誰か大人の方と一緒に使うように気をつけてください。

（回答掲載日：2025年2月15日）

　「雪氷」も「氷雪」も、“雪と氷”を意味する言葉であって、両者の間に特に区別はありません。ただ、学術の世界では、「雪氷」ということが多いようですが、これも特に理由はないと思います。

　しかし、この言葉は、ちょっと不思議な表現であることを指摘しておきたいと思います。雪と氷というと、両者を並列に並べていることになりますが、雪も氷もH₂Oという物質の結晶体（固体）という意味では、同一のものです。このことを考えると、両者を重ねて一つの言葉として使うことには、すこし違和感があります。

一方、雪は、上空の雲の中で水蒸気から直接できたH₂Oの結晶体であるのに対し、氷はH₂Oの水（液体）から直接できた結晶体であるという違いがあります。すなわち、同じH₂Oの結晶体であっても、そのでき方が違うのです。その意味では、雪と氷は区別できるので、この２つを並べた言葉も成立するのかなと思います。

　ところで、地球上には大量のH₂Oが存在します。その大部分は、液体の水の形で存在しますが、特に地球寒冷圏ではその一部が結晶体（固体）となっています。ここでは、その結晶体の多くは、もともとは雪として地上に降り落ちたものであることを指摘しておきたいと思います。まさに空から降り落ちてくる雪は、上空の雲の中で水蒸気からできたものですので、それが積もった積雪も、もともとは水蒸気から生成されたものです。では、南極などの極寒地には、氷床と呼ばれる氷の塊が存在するという意見がでそうです。しかし、この氷床の氷も、もともとは降り積もった雪が長年の間に圧縮されて氷の塊になったものです。したがって、その最初はやはり水蒸気からできたものということになります。こう考えると、地球上に存在するH₂Oの結晶体は、その多くがもともとは雪であったと言うことができます。

  （回答掲載日：2024年12月12日, 編集日：2025年2月16日）

　水は、水素と酸素が結合した分子（H2O、水分子）でできた物質です。したがって、水そのものには、太古のものや現在のものというような区別は、存在しません。現在私達の周りのある水は、宇宙が誕生し進化する過程で、ある時に大量の水分子が生成され、それらが現在の地球や宇宙空間にそのままで残されているというのは、もちろんそのとおりです。しかし、最初に述べたように、水は一つの物質に過ぎないので、宇宙で初めて生成された頃の水と現在私達の周りにある水の間には何ら違いがなく、両者を区別することも意味のないことです。

　また、一つの物質に過ぎない水には、それが記憶を持つというようなことも、なんらかの意図を持つといったことも、絶対にありえません。したがって、水がどのような循環をしたとしても、水にその記録が残ると言ったこともありません。さらに、雪や氷は、水という物質が固体の状態になって存在しているだけですので、その水が過去にどのような循環をしたかということは、雪や氷の特性に影響を与えることもありません。雪や氷の結晶形や特性は、その結晶がどのような過程を経てできたかに依存します。しかし、これは科学的な考察の結果としては、結晶ができるときの気象条件によって形が変化するということであって、決して人間の意図や記憶、意識といったものを反映するものではないことも明らかです。

　水、氷、雪というと、私達のきわめて身近にあることや、生き物の生命維持に重要な役割を果たしているというようなことから、水そのものが何らかの記憶を持つとか、人間の意図を理解できるというような怪しい言説が流布されることがあります。しかし、水という物質そのものが、そのような性質を持つことは、科学的に絶対にありえないので注意が必要です。このことに関連する質問の回答が、本Q&AのQ.81にもありますので、そちらも合わせて御覧ください。

  （回答掲載日：2024年9月6日）

　とてもよく調べて勉強していますね。大事なポイントに気がついていて、感心しました。過冷却という現象が、雲、雪や氷の生成などと密接に関連しているとよく説明されます。しかし、ではどんな関係があるのかは、とても難しい問題で、なかなかうまく説明することができません。ここに何か問題がありそうだということに気がついただけでも、素晴らしいと思います。ご質問に関連する話題で、いくつか説明しましょう。

　まず、雪の結晶は上空の雲の中で作られます、と説明され、あまり疑問に思うことがありません。しかし、このことは、液体の水の過冷却と雪の結晶の成長との関連について考えることで、その理由がわかります。雪の結晶は、その結晶の周りにある空気中にある水蒸気から、直接できてきます。しかし、雪の結晶が大きくなるためには、周囲の水蒸気が使われますので、結晶の周りの水蒸気の量はだんだん減ってくるはずですね。雪の結晶がさらに大きくなるためには、この水蒸気がどこかから追加されないといけません。この水蒸気を追加するしくみに、実はこの過冷却という現象が大事な役割を果たしているのです。すなわち、雲の中にある雪の結晶の周囲には、水蒸気だけではなく、たくさんの雲粒（過冷却した水でできた小さな水滴）が存在しています。この雲粒は、だんだん蒸発をして、周囲の空気に水蒸気を追加する役割を果たしているのです。すなわち、過冷却した雲粒から雪の結晶に向かって水蒸気の流れができていて、この流れによって雪の結晶は大きくなり続けることができるということになります。この雪の結晶が大きくなり続けることを「結晶の成長」と言いますが、雲の中でこれが起きる理由になります。（なぜ、過冷却した雲粒から雪の結晶に向かう水蒸気の流れができるのかというのも、疑問ですね。そのことも説明できるのですが、さらにむずかしいお話になってしまいますので、また他の機会に説明しましょう。）

　また、雪と氷と言うことについても、少し説明しておきましょう。雪も氷も、どちらも融ければ液体の水ですので、どちらも、全く同じ物質です。ではなぜ、この２つの呼び方があるのかということを考えてみましょう。一般に、雪と呼ぶときには、雪の結晶やそれが降り積もった雪（積雪）などがあります。これらの共通点は、上空の雲の中で“水蒸気から直接氷の結晶ができたもの”が、もとになっているということです。一方、氷は、液体の水を冷やして凍らせることでできたものと言うことができます。氷を削ってかき氷にすると、雪のように真っ白でふわふわになりますが、これを雪とは呼ばないのはこのためです。このように、本来は全く同じものであるのに、そのでき方の違いで呼び方が変わるのは、とてもおもしろいと思いませんか？雪や氷以外のものでは、このようなことは絶対にありません。また、この他にも自然界にある雪や氷には、その状況の変化によって、さまざまな呼び方があります。それらがどのようにしてできたのかを調べると、雪と分類すべきか氷と分類すべきかを分けることができると思います。このような視点で雪や氷を眺めて見るのも、とても興味深いのではないかと思います。

（回答掲載日：2024年8月25日）

　水は、私達の身体の中にも大量に含まれていて、体重のおよそ６０％が水分です。したがって、水そのものには毒性はなく、飲める水と飲めない水などの区別はありません。しかし、“この水は飲めない”ということは、よく言ったり聞いたりする言葉ですね。これは、水そのものというわけではなくて、その水にどんなものが溶け込んでいるのかということが、その違いの原因です。私達が飲む水には、必ず何かが溶け込んでいます。溶けているものに毒性がなく、なおかつ食品として使われるものであれば、その水を飲んでも問題はありません。逆に、食品でないものや私達の身体に害を及ぼすものが溶けこんだ水は飲むことはできません。

　さて、ご質問にあるような水が凍ってできた氷の結晶については、それが飲める水と飲めない水の区別できるかということですが、その目的には使うことはできません。もちろん、何も溶けていない水からできた氷と、何かが溶けている水からできた氷に、その特性や形に違いが起こることはありえます。それは、結晶ができるときに、水に溶け込んでいるものが影響を及ぼすからです。しかし、それは溶けているものが無害なのか有害なのかには関係ありませんので、結晶を観察したとしても、その結果で飲める水か飲めない水かの判断はできません。

  （回答掲載日：2024年8月4日）

　麦茶を冷やしたときに六角の氷結晶が観察されたとのことですが、もちろんこのような結晶が生成することはありえることです。このご質問だけでは、結晶ができていた状況が明確ではありませんが、観察された結晶が麦茶の内部でできていた（麦茶が凍ってできた）と考えて、回答いたします。

　液体の水を容器に入れて冷却すると、水はやがて過冷却の状態（０℃以下でも凍結せず、液体のままの状態）になります。その中に、氷の微結晶が生成されると、雪の結晶と同じように、六角の結晶形に発達することは良く知られています。このような結晶の生成については、これまでに多くの研究が行われています。六角の枝のできるしくみや六角の対称性が生じる理由なども明らかにされています。近年では、国際宇宙ステーションの中での氷の結晶の生成実験なども行われました。ごく最近では、氷の結晶が成長する様子を分子の大きさの分解能で観察する試みも行われるようになってきました。

　しかし、過冷却水中で氷の結晶の生成過程を観察することは、通常ではそう簡単ではありません。それは、過冷却の度合いを制御することが困難であることや、水中で同時にたくさんの微結晶が発生すると互いに影響をしあってきれいな結晶形になりにくいことなどの理由が考えられます。ご質問の場合では、容器に入れた麦茶がゆっくりと冷やされていく途中で、たまたま、ごく少数の氷の微結晶が生成されて、それらが独立して成長したのだと考えます。なぜこのようなことが起きたのかは明確には答える事ができませんが、決してありえない現象ではありません。

　最後に、純水と麦茶を使った場合の違いですが、麦茶の場合は純水よりも凍る温度が少しだけ低くなっている可能性があります。しかし、結晶のでき方などには大きな違いが生じているとは考えにくいので、純水からの氷の生成と同じであると考えて差し支えありません。

 （回答掲載日：2024年5月12日）

　れいとうこで水を冷やして、氷を作ると、外がわはとうめいなのに、真ん中あたりは白くにごっていて、とうめいにはなりません。これは、水がこおるときに、水に溶けていた空気が、あわとしてあらわれて、それが氷の中にとじこめられているからなのです。このあわがたくさんあると、そこにさしこんだ光がいろいろな方向にはね返されるので、白く見えるのです。

　と言っても、少しむずかしいですね。氷の中にあわがたくさんできると白く見えるということを、２つのことに分けて考えてみましょう。

　まず、さいしょは、氷の中に空気のあわができるのはなぜか、です。コップにきれいな水道水を入れて、さとうやしおを入れるときれいにとけてしまいますね。これとおなじように、空気も水の中にたくさんとけているのです。水は、いつでも空気にさらされていますので、知らないうちにたくさんの空気がとけています。この水を、れいとうこの中にいれてこおらせると氷になるのですが、水とははんたいに、この氷には空気はほとんどとけることができません。このため、空気がとけた水が氷にかわるとき、よぶんな空気ができてしまうことになります。このよぶんな空気が、小さなあわとなってでてくるのです。このあわが氷の中に入ってしまったものが、真ん中の白く見える部分になります。

　では、つぎに、あわが入っていると白く見えるのはなぜかを考えてみましょう。あわの中みは空気ですので、あわが白くなっているわけではありません。しかし、氷の中にあわがあると、さしこんだ光がはね返されて（ちょっとむずかしいことばでは、反射（はんしゃ）と言います）くるので、そこにあわがあることがわかります。この光をはねかえす小さなあわが、氷の中にたくさんあるときは、一つのあわではねかえされた光が、近くにあるほかのあわで、またはねかえされるということが、おこります。こうすると、光がいろいろな向きにはねかえされることになって、あわがたくさんあつまったところが、白く見えるようになるのです。これを、光の散乱（さんらん）とよびます。

　ところで、冬になると、空から真っ白な雪がふってきます。つもった雪もまっ白ですね。この雪は、小さな氷のつぶでできていることは、知っていますね。氷はとうめいですので、雪をつくっている氷のつぶを一つだけとりだすと、やっぱりとうめいで、白くはありません。しかし、この氷のつぶがたくさんあつまると、そこにさしこんだ光がいろいろな方向にはねかえされて、白く見えるようになるのです。氷の中のあわが白く見えるのと、そのしくみは同じですね。

　何かが白く見えるからと言って、それがいつも白いものでできているというわけではないというのは、とてもおもしろいですね。

（回答掲載日：2024年4月26日）