氷が溶ける原理

Question

0℃未満の氷が0℃以上になれば溶けることは分かります。
昔小学校でアイスキャンディを作る実験をやったように、0℃未満の氷に塩を振りかけると0℃未満のまま溶けていきます。これはどういうメカニズム、あるいはどういう力が働いて溶けるのでしょう。

むらさめ · Accepted Answer

>それに塩が溶け込んでいくと
イメージとしてはそうですね。
小学校で実験して、凝固点降下は高校で学ぶことなのですが、現象を説明するとなると熱力学や界面化学等、専門性の高い分野になり、
エントロピーや物質の持つエネルギーを議論しなければならないので簡単に説明できないですね。

金属AとBをくっつけると融点が下がるという似たような現象は、金属材料でもあって、学生時代に実験した記憶があるのですが…
金属材料ではイオンは殆ど関係なく熱力学で現象を説明していました。

fxq11011 · Answer

余り細かく考えず、現実で見てみましょう。
アイスクリーム造る時、氷の温度は多分０℃あたり？、場所は室温ですね。
塩を入れてかき混ぜます。
水（氷）は熱をほとんど伝えません、試験管に水を入れ斜めにして中程を熱すると、上の方は沸騰しますが、下の方はほとんど熱くなりません。
室温での氷、表面はすぐ０℃以上になります、熱を内部に伝えないためです。
さらに、かき混ぜると言うことは、圧力を加える事になります。
後は氷点（融点）降下で加速度的に進みます。
実験でも、氷の表面はすでに溶けていたはずです、－２０℃ の氷だと室内の水蒸気が氷結して真っ白になります、そうでなく透明な氷はすでに表面は溶けています。
当面はこの理解で十分です、さらにつっこんだ疑問は今すぐ解決する必要は有りません、いずれ必要になった時、又は疑問として持ち続けていれば、以外な所で、解決には至らなくてもヒントは得られます、これが、面白おかしいの面白いでは無く、興しろい、です本当の勉強？、今すぐ解決・・・は只知識を仕入れるだけの事です、完成品で仕入れた知識は忘れ去られる運命を持ちます。
何故？、疑問を持つのは重要です、でも解決を焦ると間違った方向に進んでしまいます

むらさめ · Answer

氷と塩の界面ですが、塩(塩化ナトリウムと仮定します)はNa+とCl-のイオン結合ですね。
一方、氷は、水分子H-O-Hの酸素に別の水分子のH-O-Hの水素が水素結合で結晶を造ることで出来ています。
イオン結合も水素結合もどちらもクーロン力ですから、Na+やCl-の電荷と水素結合の電荷の力比べが界面で生じていることになります。
結合の強さは、イオン結合>水素結合　ですから、氷の結晶の水分子が塩によって剥がされる事が考えられます。

また、熱力学的な平衡の考え方では、
氷の表面の水の分子が空気中の水分子と平衡状態を作っていて、その平衡状態の過程で塩と混じり合うという考え方をします。
界面ではエントロピー増大する方向に反応(水と塩が溶けあっている)が進んでいるのですね。

水と塩の界面ではもっと色々な効果によって混じり合う反応が進んでいる(と考察する)のですが、
専門的な難しい化学の領域、物理的な考えが入っている化学分野になってしまい、私は簡単に説明が難しいです。

fxq11011 · Answer

>最初に溶けるメカニズムがわからないのですが
屁理屈になるかも・・・。
空気中の水分、いわゆる吸湿、または氷から直接水蒸気になる昇華した水分を取り入れる、も完全否定できない」かも？。

むらさめ · Answer

氷に塩を振り掛ける実験で起こるのは、”凝固点降下”という現象で、
溶媒(この場合水)に不揮発性の溶質(塩)を溶解させた時、溶媒の凝固点が下がる現象の実験です。
溶質(塩)が溶媒の凝固を遅らせる効果を発揮して溶液の凝固点が下がるのですが、

少し詳しく説明するには熱力学的な説明になってしまいます。
↓はWikiの凝固点降下に関する記述ですが、凝固点降下の式には熱力学で用いられるパラメーターで構成されているのですが、
熱力学的な本当の説明は成されていませんね。

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%87%9D%E5%9B%BA%E7%82%B9%E9%99%8D%E4%B8%8B

確か高校の化学で凝固点降下の現象と簡単な式を習うと思うのですが、
本当の説明は、大学の化学系に進んだ時の基礎課程で習う知識が必要となってきます。
↓は高校レベルの説明で、こんなふうに考えるのだと思ってくださいね。

http://受験理系特化プログラム.xyz/theory/jama-yokai

私は雪国に住んでいますので、実用的には道路に撒く融雪剤が凝固点降下の現象を利用しています。

fxq11011 · Answer

沸点（１００°C）上昇、とか氷点降下？、という言葉があります。
純粋の１気圧での沸点は１００°C、氷点は０℃です。
純粋ではなく、固体が溶け込んでいると沸点は上昇し、氷点は降下します、これについての理由は詳しくは存じません。
＞氷に塩を振りかけると
一般にはわずかに溶けた塩で塩水となれば氷点が下がり溶ける。
一番最初、塩と０°C未満の氷が接触しただけでなぜ溶けるのかは？。
もちろん塩水の氷点以下、例、－４０℃では起こりません。

氷が溶ける原理

>それに塩が溶け込んでいくと

余り細かく考えず、現実で見てみましょう。

氷と塩の界面ですが、塩(塩化ナトリウムと仮定します)はNa+とCl-のイオン結合ですね。

>最初に溶けるメカニズムがわからないのですが

氷に塩を振り掛ける実験で起こるのは、”凝固点降下”という現象で、

沸点（１００°C）上昇、とか氷点降下？、という言葉があります。

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