ペットボトルを凍らせてはいけない理由は爆発・破裂するから？
ペットボトルを冷凍する際には注意が必要だと言われますが膨張・膨らむからなんでしょうか？
だとすると、ペットボトルはなぜ冷凍庫で膨張するんでしょうか？
ペットボトルを凍らせてはいけない理由は？冷凍で膨張・膨らむ？
ペットボトルを凍らせてはいけない理由は水は氷になる際、膨張・膨らむ殻で佐生。
ペットボトルを凍らせると、水分が凍るときの膨張率が1.1倍のため、単純に容れ物より中身が大きくなってしまい、膨張・破裂してしまう可能性があります。
ペットボトルを凍らせたい場合は、中身を少し抜いてから冷凍すると膨張する分を減らすことができます。
ちなみに、液体（冷水）の急激な凍結による氷化と水が凍るときにおきる体積膨張のことを過冷却と呼びます。
過冷却とは、物質が凍る温度よりも低い温度に冷やされた状態で、実際には凍っていないのに、触れると一瞬で凍ってしまう現象のことを指します。
例えば、水を冷凍庫に入れずに氷点下に冷やした場合、水は凍点（0℃）よりも低い温度でもまだ液体のままであります。しかし、このような液体の水を振動させたり、ものに触れさせるなどして、何かしらの刺激を与えると、一瞬で凍ります。これが過冷却現象です。
この現象が起こる理由は、物質が凍るためには、凍結核と呼ばれる微小な物質が必要だからです。凍結核は、水分子が結晶化して凍る際に基点となる物質であり、過冷却された水が凍ることができない場合は、凍結核が不足しているためです。
したがって、過冷却現象が起こるということは、液体中に凍結核が存在しないため、触れると一瞬で凍るという現象が起こるということになります。
また、水が凍ると体積が増える理由は、水分子同士のつながり方が液体と固体で違うためです。水分子は、水素原子（H）2個と、酸素原子（O）1個からできています。液体の水分子は、互いに引き合う力が働いているため、比較的近くに集まっています。しかし、水が凍ると水分子の様子が変化し、水素結合を形成し、その配列は規則正しい構造となり水素結合に囲まれた部分に隙間ができます。そのため、体積が膨張するのです12。
まとめ：ペットボトルを凍らせてはいけない理由は？冷凍で膨張・膨らむ？
水は固体になると体積が増える珍しい物質です。
なのでペットボトルに入っている水が凍って体積が増えて
ペットボトルを内側から押すので結果的にペットボトルが膨らむと言う現象が起きるわけです。
過冷却とは、物質の相変化において、変化するべき温度以下でもその状態が変化しないでいる状態を指します。
たとえば、液体が凝固点を過ぎて冷却されても固体化せず、液体の状態を保持する現象です。
例えば水を例にとると、水は0度以下になると凍りますが、ある条件を満たすと0度以下でも凍らず、液体のまま冷やされ続けることがあるのです。
ちなみに、水が液体から固体に変化するとき、体積が増えるのは、水の分子が氷の結晶格子に配置されるためです。
液体の水分子は、自由に動き回っており、相互に引き合う力も比較的弱いため、水分子同士の距離が比較的近くなっています。しかし、水が凍ると、水分子は氷の結晶格子に配置されます。この結晶格子の中では、水分子同士の引き合う力が強くなり、水分子同士の距離も広がるため、水の体積が増えるのです。
また、水が固体に変化するときには、水分子同士の間に水素結合が形成されます。この水素結合によって、水分子同士の距離が拡大され、水の体積が増加します。
したがって、水が液体から固体に変化する際には、水分子同士の引き合う力が強くなり、結晶格子の中で配置が変化することで体積が増加するというわけです。
水は凍ると体積が増える物質の代表的なものです。また、ガリウム、ゲルマニウム、プルトニウム、ケイ素、ビスマスなどの異常液体も固化すると体積が増えます1。このような物質は負の熱膨張を示すもので、温度が上昇すると体積が小さくなるものとは異なります2
水と同様に、液体から固体に変化する際に体積が増加する物質は、一般的には比較的希少です。しかし、いくつかの物質がこの性質を持っています。
例えば、水と同様に、鉛やガリウム、アンチモンなどの一部の金属も、液体から固体に変化する際に体積が増加します。これらの金属は、凝固時に結晶格子が形成され、体積が増加するため、液体の体積よりも固体の体積が大きくなります。
また、水とは逆に、液体から固体に変化する際に体積が縮小する物質も存在します。例えば、水銀は液体から固体に変化すると、体積が約1/14に縮小します。この性質は、水銀が液体の状態でも非常に密度が高く、固体の状態で分子が密に詰まるために起こります。
以上のように、液体から固体に変化する際に体積が増加する物質は限られていますが、その逆に体積が縮小する物質も存在することが分かります。
ペットボトルを凍らせてはいけない理由｜水素結合
■水と水の間にも引力が
コップの中に入った水を見て下さい。普通に見ていると、ただの見慣れた水です。さて、あなたが「水の１つの分子」と同じくらいの大きさになってコップの中に入ってみると。。。どんなことが起きているのでしょうか。
普通に見ると、水面が凪いだ「静かな」状態ですよね。でも、小さい小さい目で見ると、１こ１この水はぶんぶん動いているのです。でも、水の場合は分子が自由に動き回っているわけではありません。なぜかと言うと、分子と分子の間には「引力」が働いているからです。リンゴが木から落ちたり、私たちが地球に立っていられるのも引力のしわざです。それと同じように、分子と分子の間にも引っ張る力があるのです。だから、水の場合は、完全に自由に動き回ることができないのです。
分子と分子の間に働く力。これは、水の分子だけではなく、どんなモノにも働いています。でも、水の間に働く力は、「水素結合」と呼ばれる特別なものなのです．この水素結合、他の分子の間に働く力よりも大きいのです。実は、前回からお話ししている水の異常さは、この「水素結合」のせいなのです。
■沸点・融点が異常に高い
前回の「不思議な物質、水(1)-周期律表-」で、融点・沸点が異常に高いことをお話ししました。実は、これも水素結合のせいなのです。固体→液体→気体と変化させるためには、分子の動き回るパワーを大きくしてあげる必要があります。実は、「温める」「火にかける」ということは、熱を加えてこの動き回るパワーを注入してあげているのです。水素結合のパワーは大きいので「動き回るパワー＞水素結合のパワー」になるためには相当の熱を加えて水分子の動き回るパワーをたくさn注入する必要があります。だから、沸点（沸騰する温度）や融点（溶ける温度）が他の物質に比べると異常に高いのです。
■水は凍ると膨張する
缶ジュースを冷凍庫に入れて破裂させてしまった経験はありませんか？まあ、そんな劇的な経験はないにしても、残り物のシチューなどを冷凍するとき、容器の８分目程度にしておかないと膨張して大変なことになることは御存じでしょう。これは、水が凍ると体積が膨張することによるのです。これも、水素結合のしわざです。
「水が凍ると膨張する」の逆を考えてみましょう。ということは、氷を圧縮すると水になるはずですよね。実際、そうなります。この性質を利用したのがスキーやスケートです。氷に体重で圧力をかけると、氷が溶けます。氷が溶けるから、滑ることを楽しむことができるのです。スキーやスケートができるのも水の変わった性質のおかげ！
この「水が凍ると膨張する」という性質は、地球の営みの上で実に大切なものです。
■氷は水に浮かぶ
アイスコーヒーの中に氷が浮かんでいます。これは、私たちにとっては当たり前の現象です。他の普通の物質は固体になると重くなるので、沈みます。バターも融けた方が上に、固まった方は下にあります。氷が水に浮かぶというのも、実は不思議な現象なのです。この理由も、「水が凍ると膨張する」すなわち、「同じ体積では氷の方が軽い」からだと言えます。氷が浮くのも水素結合のしわざです。
もし水が他の物質と同じ性質だったらどうでしょう。冬になって湖に張った氷は湖底に沈んで、春になっても太陽が当たらずどんどん溜まっていきます。北極の海底も氷で埋まっていくはずです。春になると氷が溶けるのは、表面に氷が浮いているおかげなのです。夏と冬がきちんと繰り返すのは、水だけが持つ特異な性質のなせる技なのです。
■水が生物にとって大事なワケ
下の表を見て下さい。水と他の物質の「気化熱」「比熱」を比較しています。「気化熱」というのは、液体が蒸発するのに必要な熱量のことです。「比熱」は、液体が1℃上昇するのに必要な熱量のことです。他の３つの物質に比べて、水の値がそれぞれ2?3倍だということがわかりますよね。明らかにこれも高いです。
気化熱が高いという事実は、生物の何に役立っているのでしょうか。気化熱が高いということは、蒸発するときに多くの熱を奪います。つまり、生物が汗をかいて、温度上昇を防ぐことができるのは水のおかげなのです。そして植物でも、葉の表面からの水の蒸発によって温度上昇を防いでいるもです。
比熱が高いことはどう役に立っているのでしょうか。1℃上昇するにも多くの熱量が必要、ということは、周りの温度が上昇しても、ある程度水温の上昇は抑えることができます。だから、環境の温度変化が激しくても、水を主体とした生物は体温が変化しにくいようにできているのです。
「水素結合」といわれても、目に見えないものなのでイメージが捕らえにくいかもしれません。でも、生物が生きているのも、地球が凍り付かないのもこの「水素結合」のおかげだと思うと少しは親しみが湧くでしょうか？目には見えないけど、水分子ひとつひとつの間に働く小さい力のおかげなのです。
