水を凍らせると体積が増えるのはなぜ？

息子の疑問

たいていの物質は凍らせると体積が減るのに、水を凍らせると体積が増えるのはなぜ？空気を含んでいるのかな？

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調べてみた

調べてみると、たしかに「凍って体積が増える物質」は少ない。水、ケイ素、ゲルマニウム、ガリウムなど…
むしろ、減る物質が普通であり、増える物質は「異常液体」というらしい。水、お前は異常だったのか。

なぜ体積が増えるのか

いろいろ調べてみたところ、このYouTubeがわかりやすかった。

要するに、凍るというのは分子の動きが少なくなること（停止すること）で、水を構成する酸素・水素の原子たちは、それぞれの特徴から、六角形の形になって固まるのであった。
すると、水のときはなかった六角形による空間ができるために、体積が増える…ということだった。この六角形の構造はウルツ鉱構造というらしい。

ケイ素やゲルマニウムも同様に、固形になる際にダイヤモンド構造になるために体積が増えるという。

異常液体以外のものは、固まるときに空間がなくなる（ギュッと寄せ合って固まる）ので体積が減る、と考えると、なるほど〜と納得できた。

さらなる疑問

「真空だったら空気を含んでいないから、凍っても体積が変わらないんじゃないかな？」

朝、ウルツ鉱構造で固形化すると知らなかった状態で、もしかして空気を含んでるからかなぁ〜なんて言ったときの追加質問がこれだった。

ウルツ鉱構造になる、ということがわかると、この質問には「真空でも同様に体積は増える」といえると思う。水が氷るとき、水原子の構造上の空間ができることが体積増加につながるので、それは空気の有無で変わらないからだ。
・・・このとき、空間は何が？空気が入ってるんじゃないの？と思ったが、「何もない」そうだ。え〜、なにもない！そうなんですか？
わりと、分子や原子の間は隙間だらけらしい。へ〜…。

結論

水が凍ると、ウルツ鉱構造の形をとって原子間の隙間が液体のときより大きくなるので体積が増える。

真空中でもウルツ鉱構造の形をとって固形化するため、体積は増える。

しかし、「凍ると体積が増える物質」のほうが異常液体。