沸騰石はなぜ突沸を防ぐのですか？

Question

化学の実験などで、溶液を沸騰させるときなどに、沸騰石を一緒にいれて加熱したりしますよね。あれは、突沸を防ぐためと習ったのですが、なぜあれを入れることによって、突沸を防ぐことができるのでしょうか？原理的なことが知りたいです。また、沸騰石は普通の石とどんなところが違うのでしょうか？よろしくお願いします。

katchi · Accepted Answer

沸騰石には空気がいっぱい入っているからです。
不純物の少ない液体を沸騰させると、気化する「きっかけ」みたいなのが一気に訪れて突沸しますが、沸騰石を入れておくと、その中の空気が「きっかけ」になってくれて、少しずつ「きっかけ」を出してくれるようなイメージ。表現が間違ってるかもしれませんが。

で、普通の石とどう違うかということですが、「空気」です。
空気が入っていて、更に、その空気がが出ていける状況にあれば、沸騰石になることができます。市販の沸騰石でもいいし、レンガのかけらみたいなのでもいいし、学生実験では、沸騰石をガラスで作りました。ガラスをこねこねして、空気をいっぱい含ませて、棒状に伸ばした後適当な大きさに切ります。これでできあがり。

といことで、空気が大事です。
なので、いくらきちんとした沸騰石でも、一回使ってそのまま液中に浸しておいたものをもう一度使うことはできません。まあ、使っても大抵は大丈夫ですが、使ってはいけないことになっています。空気が液体と置き換わり、空気を出す能力がなくなっている可能性が大きいからです。

こんな回答でどうでしょう？

physicist_naka · Answer

私は物理屋でありますが、化学はまったくのど素人ですのでそのつもりで。

結局Yo-Na-Cさんと同じことかもしれませんが、私の理解の仕方を言います。
沸騰というのは、ある決まった半径（臨界半径？）の泡以上のものがあると、どんどん大きくなっていけるのですが、それ以下の半径だと大きくなれません。というのは、大きくなると、増加する単位体積あたりの、増加する界面の面積が大きいからです。界面はエネルギーを上げてしまうので。
で、沸騰石があると、その小さな穴の奥まったところを考えると、ある体積の泡を作るのに少しの界面の増加ですむので、エネルギーの上昇が抑えられ、沸騰しやすくなります。ここまでは自信があります。
そこで、再利用の問題になりますが、上の話は沸騰石が液で満たされている場合です。そうでない場合、穴の奥まったところは、空気があります。で、その空気のところに蒸気が入ってきます。このとき、恐らく、界面の増加は、液で満たされているときより少なくてすむのではないかと思います。
つまり、再利用しても効果はあるが、それは小さくて、新しいものを用いた方が良いということです。

ところで再利用するにはバーナーであぶってやればいいのでは？

katchi · Answer

Yo-Na-Cさん＞
いえいえ。

ところで、再利用ですが。
私もrei00さんの様に、ちょびっと追加して再利用していました。
わたしの場合は、溶媒を継ぎ足しながらではなく、一晩完全に冷えてしまった溶媒に次の日溶媒を足して蒸留するときに、ちょびっと沸石を足していました。
一晩置いたせいか、新しい沸石からでるぶくぶくより、再利用の方がちょっと弱かったような？
完全再利用…やっておけばよかった。

rei00 · Answer

rei00 です。

　Yo-Na-C さんの ANo.#4 の回答を拝見して，一言追加回答（？）させて下さい。

　先の回答に書いた様に，『ガラスについたキズや浮いているゴミなども沸騰石の変わりになり』，そこから沸騰が起ります。これが何故かが若干疑問だったのですが，Yo-Na-C さんの回答の様に考えれば納得できますね。ありがとうございました。

　で，これだけでは何ですから，「沸騰石の再利用」についての経験者談を少し。

　「沸騰石」として，ガラス細工で作った「沸騰棒」と市販の「沸石」に付いて経験があります。結果ですが，「沸騰棒」は１回使用すると再利用できませんでした。

　「沸石」は溶媒の蒸留で使っていましたが，溶媒を注ぎ足して何回か蒸留を繰り返す際に，「沸石」を出さずに（安全のため新しいものも２，３個追加しますが）蒸留を繰り返していました。

　この場合，かなりの回数まで最初に入れた「沸石」部分からも泡が出ていました。これが全部空気とも考えにくいですので，Yo-Na-C さんの原理も関係していると思われます。

　つまり，手作りの「沸騰棒」では直ぐに溶媒で穴が満たされるために，再利用できなくなる。しかし，市販の「沸石」では，界面部分が多いため，穴が溶媒で満たしきるのに時間がかかり，その間は再利用ができる。

　いかがでしょうか。沸騰石再利用の「経験者」としてのアドバイスですが「自信なし」です。

Yo-Na-C · Answer

katchiさん>
「きっかけ」が空気なのですね。納得です。字面だけ見て揚げ足取ってしまったようで、ごめんなさいね(ぺこり)。
沸騰石ですが、確かに「再利用しない方がいい」とよく言われてますね。でも本当に再利用できないのか?というのが実のところ、長年の疑問です。実験しようにも今は手軽に実験できる環境にないし、本当に再利用しない方がよくて突沸しても怖いし・・・(汗)誰か試した人がいたら教えてください！

katchi · Answer

？？「沸騰石から出ている気体は全て沸騰石の中にあった空気だ」とは言ってないと思うのですが？わかりにくかったみたいで、ごめんなさい。
当然あの、ぶくぶくしているものは、沸騰させたい液体が気化したものです。
あくまでも、沸騰石のなかの空気は「きっかけ」。
Yo-Na-Cさんのご回答を読んで、なるほどとも思ったのですが、疑問も。

液体との接地面積の広さということでしたが、では、一度使った沸騰石をそのまま液体中で冷やしてしまった時、再利用しない方が良いというのはどうしてでしょう？
私はこれを「孔を液体が埋めてしまったから」と解釈しましたが、液体と石の接地面積で言うと、変化は大きくないはずですよね？
それとも「再利用しない方が良い」というのがそもそも間違った情報だったりして…。それだったらごめんなさいね。

Yo-Na-C · Answer

沸騰しはじめる「きっかけ」が必要だ、というのは、他の方のご意見と一緒ですが、そのメカニズムについては、沸騰石の表面で熱力学的な均衡状態がくずれることが原因だと思います。
　沸騰石は表面に小さな孔がたくさんあいています。このため大きな表面積を持ち、水の中では普通の石よりも広い面積で水と接している、つまり水と石との“界面”が広いことになります。界面には、「2つの異なった物質が接している」という“不均一さ”に起因する、界面自由エネルギーというエネルギーが存在します。この界面自由エネルギーにより、界面は均一な部分に比べてエネルギーが高くなっています。よって沸騰石の表面付近の水は、水温が100゜Cに達した時点で「まっとうに」沸騰し始めます。
　と、大学の熱力学の授業で(雑談として)習った覚えがあります(何年前に？？)。

ですから、沸騰石から出てくるものは空気ではなく、水蒸気だと思います。もし空気なのであれば、あれだけの量の空気が小さな石の中にどうやって貯蔵されているのか、別の興味が生じるのですが(笑)。

rei00 · Answer

「突沸」あるいは「沸騰石」に関しては，OK Web でも何度か説明されています。トップペ－ジ（↓１番目）で検索してみて下さい。例えば，次の様なものがあります。

・QNo.163592　水溶液の突沸
　http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=163592
　ここの ANo.#1 で紹介したペ－ジ（↓２番目）もご覧になってみて下さい。

・QNo.175309　液体を加熱するときに沸騰石を入れるのはなぜですか？
　http://www.okweb.ne.jp/kotaeru.php3?q=175309


　なお，『中に入れた石どうしが、ぶつかること』は殆どありません。安定して沸騰している場合，沸騰石は殆ど動きません。また，ガラスについたキズや浮いているゴミなども沸騰石の変わりになります。

参考URL：http://www.okweb.ne.jp/index.php3, http://www.geocities.com/yoshihitoshigihara/kikkake.htm

ninini · Answer

中に入れた石どうしが、ぶつかることによって、エネルギーを少しづつ消費するので、
大きなエネルギーが突然出るのを防ぐ、とか聞きました。

沸騰石はなぜ突沸を防ぐのですか？

沸騰石には空気がいっぱい入っているからです。

私は物理屋でありますが、化学はまったくのど素人ですのでそのつもりで。

Yo-Na-Cさん＞

rei00 です。

katchiさん>

？？「沸騰石から出ている気体は全て沸騰石の中にあった空気だ」とは言ってないと思うのですが？わかりにくかったみたいで、ごめんなさい。

沸騰しはじめる「きっかけ」が必要だ、というのは、他の方のご意見と一緒ですが、そのメカニズムについては、沸騰石の表面で熱力学的な均衡状態がくずれることが原因だと思います。

「突沸」あるいは「沸騰石」に関しては，OK Web でも何度か説明されています。

中に入れた石どうしが、ぶつかることによって、エネルギーを少しづつ消費するので、

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