海氷 氷は水よりも密度が低いため、内部に水を残したまま、表面から氷結する。
滝が凍結したもの(シビレ山不動滝)。

(冰、こおり)とは、固体の状態にあるのこと。

なお、天文学では宇宙空間に存在する一酸化炭素二酸化炭素メタンなど水以外の低分子物質の固体をも氷(誤解を避けるためには「○○の氷」)と呼ぶこともある。また惑星科学では、天王星海王星の内部に存在する高温高密度の水や、アンモニアの液体のことを氷と呼ぶことがある。さらに日常語でも、固体の二酸化炭素をドライアイスと呼ぶ。

この記事では、水の固体を扱う。

氷の特徴

熱い氷 図は縦軸に温度(摂氏と絶対温度)、横軸に圧力 (GPa) を取った。1 GPa は大気圧の1万倍である。例えば、10 GPa では数百度という高温の氷VIIが存在することが読み取れる。
結晶
無色透明(水以外の不純物や空気が混じらない場合)で、六方晶系結晶を持つ。融点は通常の気圧摂氏0度。ただし、圧力を変えることで相変化を起こし、結晶構造や物理的性質に差がある、様々な高圧相氷になることが知られている。この場合、我々が普段目にする「普通の」氷は「氷I」と呼ばれる。現在のところ、圧力が高い状態において氷IIから氷XVI(16)まで発見されている[1]。特に、極めて高い圧力下では、水素結合が縮んで水分子の配列が変わる。このように様々なが存在することを多形という。
氷は特異的に凝固熱、融解熱が大きい。例えば融解する時に、潜熱として1キログラムあたり約 80 kcal (333.5 kJ) のを周囲から奪う。これは同量の水を0℃から80℃まで温めることができるほどの熱量である。を食べると体力を消耗するとして、寒地では(特に遭難時)禁忌とされている。また、氷表面の水分子は結合が不完全でベアリングボールのように転がりやすく、氷表面は滑りやすい。この現象は2018年5月にドイツマックス・プランク研究所の永田勇樹らのグループによって解明された[2][3]。氷点下の-7℃でこの性質は最も強く現れ、スケートスキーカーリングそりなどはこの性質を活かしている。また、氷が溶け始めると逆に滑りにくくなる。従来、氷表面が滑る仕組みは圧力による界面の融解で説明されてきたが、が氷上でハイヒールを履いて立っても圧力は大幅に不足する。
体積
通常気圧において凍る際は体積が約11分の1増加する。すなわち、比重が0.9168 と小さくなり、水に浮く。物質は温度が低くなるほど分子の振動が小さくなるため、通常であれば温度が低くなるほど密度は大きくなり、従って気相よりも液相のほうが密度が大きく、液相よりも固相のほうが密度が高い。このように固相の方が液相よりも密度が低い物質は非常に珍しい。これは液相の水分子が水素結合で強固に結びついており、固相の場合よりも分子間の距離が小さいことが原因である。また、密閉された状態で凍ると周囲の物質を押し出し、時に破壊する。例えば岩の隙間に水が入り込んで氷になると、岩を破壊する。生物の細胞も凍結すると破壊され、生物の凍傷や凍死の原因となる。冬季の寒冷地では凍結による水道管の破裂を防ぐため、夜間は水抜栓を用いて水を冷気の及ばない地中に落とし、凍結を防ぐ。清涼飲料水類の缶にも「凍らせないでください」という注意書きが書かれている。に溶けた炭酸は水が凍ると気体として追い出されてしまい、炭酸水容器に入れて凍らせると爆発する危険がある。
不純物
液体が固体になる時、溶解している物質は結晶構造に加わらずに濃縮される。

氷には、河川や湖水の冬季に氷結した物を切り出して保存・利用する「天然氷」と、機械によって製造される「人造氷」とがある。 長らく人類は天然氷のみを利用してきたが、19世紀、科学技術の発達により人造氷が現れると、衛生面・コストの点で天然氷の利用は主流ではなくなった。

我々は打ち水をすれば気温が下がることを知っているが、これは水が気化する際に熱を奪う(気化熱)ことによって起こる。機械による製氷も気化熱による冷却と同様の原理が利用される。

1748年、手回し式の減圧装置を用いることによるジエチルエーテルの気化熱を利用した製氷をスコットランドウィリアム・カレンが行ったのが人造氷のはじまりとされる[4][5]

1834年には、エーテルを利用したコンプレッサー式製氷機の特許がアメリカのジェイコブ・パーキンスによって取られている[4][5]

日本では、明治以降に外国人居留地で小規模な製氷が行われるようになり、1883年明治16年)東京製氷株式会社が設立されている(当初の製氷能力は、一日当たり6t)。

氷の利用

飲料・食品など様々なものを冷やすために使われる。

食用

  • かき氷
  • 飲用 - かち割り、氷水
    • 冷蔵庫 - 初期の冷蔵庫は、単に断熱性のある筐体の天井部分に巨大な氷を詰めて冷やすだけのものであった。現在のアイスボックスに近く、定期的に氷屋から氷を届けてもらう必要があった。現在においても電気冷蔵庫に保存した場合、食材によっては特有の臭いがつく場合あり、氷冷蔵庫が用いられる例もある。
    • 生鮮食品の鮮度維持 - 生鮮食品(特に魚介類)を輸送する際、梱包に砕いた氷を充填する。沿岸漁業では、漁船は船倉に砕いた氷を積んで出航するため、大きな漁港では岸壁に氷を送るコンベヤダクトが備えられている。
    • 人体の冷却 - 発熱時等に氷枕(氷嚢)として冷却を行なう。
      • イグルーかまくらなどの住居やホテル[6]
      • 燃料結着成型(例えばアルミニウム粉末を氷で固めたALICE推進剤
      • 氷像、氷による建築・装飾など。
      • スケートリンク
      • トイレ便器 - 主に飲食店のトイレで小便器に置き、小便を冷やして臭気を抑える効果を持たせている(当然、本物の氷を定期的に補充しなければ無意味である)。
      • 1973年、南極大陸で氷の桟橋(Ice pier)が作られ利用された[7]。耐用年数は3〜5年で、寿命が来たら砕氷船に曳航されて除去される。
      • 寒冷地では凍った湖や川などの上を道路や飛行場として利用し、臨時の鉄道も敷かれる[8]レニングラード包囲戦アラスカ鉄道)。
      • 人為的に冷却効果を得る技術が登場するまで、氷自身が唯一の冷却材であったため、冬季や寒冷地にて得られた天然氷を融かさないよう保管する努力が講じられた。保管方法として、地下や洞窟の奥などに空間を作り、冷却効果を得ようと大量に氷を保管した。また、断熱効果を得るためオガクズなども用いられた。

        日本ではこれを氷室(ひむろ)、英語ではアイスハウスと呼ぶ。歴史的には紀元前1780年頃のメソポタミア北部のテルカで使われた記録がある[9]

        昨今では、に降った大量の氷雪を保管しておいて夏期の冷房に利用しようとする試みや、気温が低く電力需要も少ない(そのため電力料金も安くなる)夜間に製氷しておき、昼間の冷房に役立てようとするサービスなどが普及しつつある。

        函館氷

        日本において、冬以外に氷で冷やした飲み物が飲めるようになるのは、明治になってからになる。中川嘉兵衛という実業家が、明治4年、北海道函館市で初めて天然氷の採氷事業に成功したことに始まる。嘉兵衛はまず、富士山の山麓に500の採氷池を掘り、そこから約2000個の天然氷を得ることに成功する。しかしこの氷は、江尻港静岡市)までの8里(約31km)は馬で、その後は帆船を借りて一般貨物の2倍の運賃で横浜まで運んだものの、横浜到着時には全て溶けて水になってしまっていた。この後2年間休業したのち、諏訪湖日光釜山青森からと、毎年場所を変えて氷を採り、横浜へと運搬したがいずれも失敗に終わった。しかし、嘉兵衛は諦めることなく、函館に渡り、6回目の採氷に挑戦した。この年は温暖であったため、僅かな氷しか採れず、250トンの氷を横浜に輸送することが出来たものの、採算は取れなかった。しかしこれに手応えを感じ、明治2年、函館の五稜郭の外濠を借り受け、亀田川の水を引き入れて7回目の採氷を行った。この7度目の挑戦にしてやっと事業が成功。明治5(1872)年の『新聞雑誌』には、「製氷界の恩人――中川嘉兵衛」の見出しで、

        昨夏横浜の氷会社より氷を売り出し、其価甚だ安く衆人の賞美大方ならず。(中略)文政天保の際に、奢侈を極めし貴人富豪と誰も知らざる所の一味を、一貧生にして飽まで消受すること、明代の余沢ならずや。

        と述べられ、その事業が称賛されている。これまで簡単に手に入れられなかった夏場の氷が、安く手に入るようになり、人々が夏場に冷たいものにふれる始まりになった。また明治7(1874)年の『東京日日新聞』においても、函館の天然氷採取が取り上げられ、功績が称賛されている。

        氷の世に大功ある事は、第一熱病には必要の薬品にて、氷室ありし以来、炎症を助けしこと少なからず。第二暑中人意を快くし、第三我国の一産物を開けり

        製氷事業は病人の熱さましとして、また暑い夏の飲食用として、人々に歓迎された。

        近年の需要動向

        1980年代から1990年代にかけて、飲食店で業務用の自動製氷機が普及したため、食用氷純氷を扱う業者は販売不振に陥っていた[10]。しかし、2013年コンビニエンスストアのひき立てコーヒーが登場したことによって、再び食用氷の需要が上昇している[10]。 近年のかき氷ブームによる需要でふわふわ感が楽しめる氷として、またウイスキーオン・ザ・ロックで飲む際に用いられる、高品質でほとんど無味無臭の氷として、製氷工場で作られた純氷が求められるようになってきた。

        自然界の氷

        蔵王連峰の樹氷(山形県)
        滝の水滴が凍結して様々な造形を形作ることがある。

        大気中

        横に伸びた氷柱(北海道)

        地上