今、過冷却について調べているんですが、
水が氷になるためには『氷晶核』というものが
必要らしいんですが、
 この『氷晶核』って何ですか?
 水が凍る為にはこれが必ず必要なんでしょうか?
 精製水の中にも、これが入っているんでしょうか?

どなたかご存知の方がいらっしゃったらお教え下さい。

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A 回答 (2件)

冷却していくことで、液体が固体になる(結晶化する)ことは水に限ったことではありません。

また、再結晶をさせる時にも、結晶ができるのにその中心となる物質が必要なのです。この結晶が出来る時の中心となる物質が結晶核であり、水の時にはとくに、氷晶核とよんでいるのではないでしょうか。

結晶核は、他の物質である必要はないと思います。

水であれば、水分子がいくつか結合していれば、その結晶核となると思います。
特に他の物質が無くても、外部から刺激が与えられれば、それによって結晶が、発達していくことがあります。

過冷却の状態のビーカーに振動を与えてみると(ガラス棒などでビーカーの縁をたたく)と、それがきっかけになって急激に結晶化していくことがあります。

あくまで、想像ですが、この時の刺激によって、水分子の距離や結合のバランスが崩れ、水分子同士が、いくつかが結合するのではないでしょうか。これを核として、結晶が発達していくと考えています。

このことは、こんな例と似ているのではないでしょうか。江戸時代などの飢饉のとき、必ず百姓一揆が起こった訳ではないでしょう。でも、飢饉の時は必ず不平不満が溜まっていて、いつ一揆が起こってもおかしくない状態だったのではないでしょうか。そこに、一揆を先導する指導者がいたり、(これは、「ほこり」などの結晶の核となるまさにそのものズバリの物質になるものではないでしょうか)また、誰かが、代官に殺されてしまい、そのことがきっかけで一揆が起こったり(これは、外部からの振動などの刺激により水分子同士のいくつかが結合し、氷晶核となったといえるのではないでしょうか)したのではないでしょうか。

再結晶の時にもおもしろいことがあります。

まず、再結晶ということが知らないとわからないと思いますので、再結晶の説明を書きます。
再結晶とは、物質が水などの溶媒に溶ける量(溶解度)が、温度によって変化することを利用して純度の高い結晶を得る操作のことです。一般に固体は、温度が高いほどたくさん溶ける(溶解度が大きい)ので、高い温度で溶けるだけ再結晶したい物質を溶かします。この後、温度をさげると、溶けることが出来る量(溶解度)が減るので、溶けきれない分が結晶として析出するのです。

例えば、ミョウバンなどは、温度による溶解度の差が大きいので、中学や高校の実験では用いられています。
沸騰水にめいっぱいミョウバンを溶かして、(溶けきらないでのこったミョウバンがあったら、濾過して除いておきます)氷水など充分冷やします。本来であれば、0℃ではあまり溶けないので結晶がすぐに出てきそうなのですが、なかなか結晶がでてきてくれません。そんな時は、ガラス棒を中につっこんで、ビーカーの底をこすります。すると、そのこすった所から結晶が現れてきます。そして、この結晶が現れたらあっという間に、ビーカー内が結晶でいっぱいになってしまいます。これを見るとかなり、劇的に変化するのでおもしろいです。

ですから、精製水は、ほこりのような結晶核となる物質はほとんどありませんが、外部からの刺激によって、水自身の小さな結晶化したものが、結晶核となるといえると思います。

だらだらと、書いてしまいましたが、参考にでもなればと思います。
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この回答へのお礼

大変詳しい説明、有り難うございます。
すごく助かりました。
 自分だけでいろいろと推測していたんですが,それを上回る情報、感謝します。

お礼日時:2000/12/12 15:17

氷晶核という物資があるのではありません。

水が氷になるときに成長点となる物質の総称です。水だけでは簡単には氷にならず、核となる物質の周りから氷は成長していくのです。氷晶核がないと氷への成長が簡単には進まず、過冷却が起こります。物がなにかというと簡単に言えば水の中の不純物ですね。微粒子、他の結晶等です。ちなみに天気のサイトで雹の氷晶核の1つとして黄砂が挙げられていました。
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この回答へのお礼

 どうも有り難うございました。
分かりやすい説明、嬉しかったです。

お礼日時:-0001/11/30 00:00

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Q過冷却について

過冷却はなぜ起こるのですか?
現象としの理論は大体わかったのですが、それがエネルギー的にどうなのか、がいまいちつかめません。
教えてください。

Aベストアンサー

過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

過冷却現象はエネルギー的な安定の観点からだけでは説明できません。動的な成長理論(核発生理論)を考えて初めて説明されます。
エネルギー収支からの検討は「ある温度(と圧力)のもとで、その物質はどんな状態として存在するのが一番安定か」を教えてくれます。例えば氷点下1℃なら「水は固体として存在するのが安定」です。しかし「どれくらいの時間をかけたらその状態に至るのか」は教えてくれません。その状態に1秒で移行するかも知れませんし、1億年かかるかも知れません。

「熱力学的に安定ではないのだが存在できている」例で、一番分かりやすいのがダイヤモンドでしょう。常温常圧における炭素の安定相はグラファイトでありダイヤモンドではありません。ダイヤモンドは本来、常温常圧では存在してはいけない物質なのです。
しかしダイヤモンドがグラファイトに転化するには、とんでもなく高いエネルギー障壁を乗り越えて構造を組み換えねばなりません。この組み換えが起こる確率は非現実的なほどに低いので、事実上常温常圧でもダイヤモンドはダイヤモンドのまま存在できます。

0℃以下になった水も、その安定相は当然に固体である氷です。ところが上記のダイヤモンド→グラファイトの場合と同様、水が氷に変化するにはある障壁を乗り越えなければなりません。実際にはその障壁は大して高くないので水を凍らせるのは別に難しくないのですが、いずれにしても「きっかけが必要」とは言えます。
水に限らず液相→固相の変化において、このきっかけ(あるいは障壁)に相当するのが「核発生」です。核発生理論についてはすでに十分な検討がなされ、学説としては確立しています。

いま液体が融点以下に冷やされて、下の図のように液体の中に小さな固体の粒(核)が発生したとします。この粒は大きく成長できるのでしょうか、それともやがて消滅してしまうのでしょうか。

 液体
   / ̄\
   │固体 │
   \_/

この場合のエネルギー収支を考えてみると
・液体が固体になったことによりエネルギー的に得した分(潜熱放出)

・液体と固体との境界が生じたことによりエネルギー的に損した分
があります。後者のことを「界面エネルギー」などと呼びます。界面エネルギーの概念はややなじみにくいかとも思いますがとりあえずは、異なる相が接している場合にその部分に余分なエネルギーが必要になる、と理解すればよいでしょう。
さて、液体が固体になったことによる自由エネルギー低下分は固体部分の体積、すなわち半径の3乗に比例します。後者は表面積に比例しますから、結局半径の2乗に比例します。これらを差引きして考えると、半径rが大である核ほどエネルギー的に安定であることになります。逆に小さな核はエネルギー的に不安定なため、やがて消滅してしまうことになります。
「小さな核はやがて消滅してしまうのであれば、いつまでたっても核は成長できないのではないか?」
これもおっしゃる通りです。しかし実際には核は生成します。それはどういうことかと言うと、分子は常に離合集散を繰り返しているわけですが、その集合体がたまたま生き残れるために必要な大きさに(確率的に)達したとすると、その先は安定して成長できるようになるからです。

もう少し、数式も取り入れながら説明したいと思います。
いま液相中にnモルの固相が析出し半径rの結晶相(固相)が発生したとします。その場合の自由エネルギー変化ΔG(n)は
ΔG(n)=4πr^2 γ-nΔμ  (1)
と表されます。γは液相-固相の界面エネルギー、Δμは1 molあたりの自由エネルギー変化です。Δμは過飽和度(過冷却度)の関数であり、過飽和度が大きくなればΔμも大きくなります。

析出する結晶相を球形に近似すれば、結晶相のモル体積をνとして
ΔG(r)=4πr^2 γ-(4πr^3 Δμ)/3ν  (2)
と表されます。
(2)をrで微分して0に等しいとおくと、ΔG(r)が極大をとるrの値が
r=2γν/Δμ  (3)
と求まります。
このrの値を臨界半径(臨界曲率半径)などといいr*で表します。これ以上大きいサイズの原子クラスター・分子クラスターであれば、大きくなればなるほど自由エネルギーが下がりますから安定して成長することができます。
Δμを大きくすれば、換言すれば過冷却度を大きくすればr*は小さくなり、確率的なゆらぎで発生した核は小さいものでも生き残れるようになります。よって水の場合、0℃ではすぐに凍らなくとも、-1℃、-2℃と温度を下げればΔμが大きくなり、ついには発生した核が安定して成長し次々と凍ることになります。これが過冷却現象の正体です。
核発生についてご興味があれば参考ページの[1]などもご覧ください。

ついでに、正しい知識について整理しておきましょう。
水を0℃以下の場所に置けばいずれはその場所と同じ温度になるのは確かです。そしてその温度になるのであれば、どれだけ時間がかかろうとも最終的には凍ります。大気圧で0℃以下の環境における水の安定相は、液体でなく固体だからです。「大気圧で0℃以下の環境で、液体の水は平衡状態にはない」なんて当たり前のことを言っているに過ぎません。
過冷却によって0℃以下の水が液体の状態を取りうるのは事実ですが、それは過渡的な現象に過ぎません。「いずれは」と言うなら仮に過冷却がおきようとも、水は最終的に「氷になる」というのが正しい帰結です。過冷却がおきたからといって、0℃以下の環境において水が安定相となることはあり得ません。

また過冷却の水が凍り始めれば確かに潜熱を放出し水の部分の温度は上がります。しかし水の部分の温度が0℃になったからといって凝固が停止するわけではありません。0℃(より厳密に言うなら水の融点)において、水と氷は任意の割合で共存できます。「過冷却状態の水の当初の温度によって、0℃になった時の氷水の氷/水の分量が違ってくる」というのは何かの間違いでしょう。水/氷の系と外界との間にエネルギーのやり取りがないなら分量は変わってきますが、今は「系を0℃に保つ」という条件を付けているのですから、系と外界との間にエネルギーのやり取りがあることは前提となっています。
「-80℃の過冷却状態の水なら、わずかの刺激で全部凍る」というのは間違いではありませんが、「-80℃より高温の過冷却状態の水なら、必ず水の部分が残る」というのは間違いです。上記と同様に外界との間にエネルギーのやり取り(具体的には系からの熱の排出)があるからです。外界とのエネルギーのやり取りがない(完全断熱条件)なら正しいです。

【参考ページ】
[1] 核生成 http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13
「第3章 無容器浮遊溶融プロセシング 資料(2)」のpdfファイルをダウンロードしてお読み下さい。

参考URL:http://www.jsup.or.jp/shiryo/tenbo.html#h13

過冷却がなぜ起こるのか?と問われれば、その答えは「融点以下の液相は固相として存在するのが熱力学的に最も安定だが、実際に凝固するためには「核発生」というきっかけが必要だから」という答えになります。

過冷却現象はエネルギー的な安定の観点からだけでは説明できません。動的な成長理論(核発生理論)を考えて初めて説明されます。
エネルギー収支からの検討は「ある温度(と圧力)のもとで、その物質はどんな状態として存在するのが一番安定か」を教えてくれます。例えば氷点下1℃なら「水は固体として存在...続きを読む

Q過冷却水とは?

0度以下になっても凍らない、過冷却水というものが出来ると聞きました。
この過冷却水に振動を加えると一気に氷になるそうです。
どうして過冷却という現象が起きるのですか?
また、何故振動を加えると一気に凍ってしまうのでしょうか?
どなたか教えてください、お願いします。

Aベストアンサー

 水というのは、実をいうと0度では凍らないのだそうです。
 水道水などの普通の水は、中に含まれる様々な不純物が刺激となって、0度で凍ってしまいます。

 ところが、その「刺激」がまったくない状態で凍らせた水(具体的にいうと、まったく衝撃を与えずに冷やした純水)は、「刺激」がないので-40度くらいまで凍らないのだそうです。

 で、どうして衝撃によって凍るのかというと、過冷却を起こした水は、冷たすぎて「氷になるためのエネルギー」が足りないのです。
 だから、それを外部から衝撃という形で与えてやることで、凍るのだそうです。
(なんか分かったようで微妙に意味不明な説明だな……)

Q過冷却の起こりやすい金属

金属を溶解し、冷却したときに過冷却が起こりやすい金属とそうでない金属があるのはなぜでしょうか?

測定した金属とその凝固点は
Sn 231.9℃
Bi 271.4℃
Pb 327.5℃

過冷却がみられたのはSnとBiでした。


調べてもよく分からなくて…
どなたか分かりやすく教えて頂けないでしょうか?

よろしくお願いします。

Aベストアンサー

一般に、液体が融点で結晶化する時や、飽和溶液から析出するときには
最初に結晶成長の核になるものが必要で、この核になるものが無ければ
結晶成長は何時までもはじまらず、過冷却となります。

さて、結晶の核となるのは、外から加えられた種結晶や、
液体中の固体不純物、液体中に偶然出来た結晶と同じ配列、等です。
このうち、種結晶以外から結晶核が生成する場合はエネルギーが必要で、
このエネルギー(結晶核形成エネルギー)が大きい場合には
それだけ結晶核は生成しにくいため、深い過冷却が観測されます。

この結晶核の形成エネルギーの大きさは、
物質によっても、形成のパターンによっても異なりますが、
一般的に言って、不純物を元にした場合の方が
偶然出来る場合よりはるかに小さくて済みます。
さらに、不純物が元になる場合であっても
物質と不純物の種類によって異なる値となります。

ということで、結論的には、
結晶核生成の元になりやすい不純物が含まれている場合には
過冷却にはなりにくい、といえます。

なお、偶然出来る結晶核の生成エネルギーは物質固有の値なのですが
この部分は今回のような実験では考慮は不要です。
なぜなら、かなり過冷却が深くならないと問題にならない上、
普通に取り扱っている材料では十分な量の不純物が含まれていて
さらに容器も巨大な固体不純物として結晶核となり得るためです。
(このため、上記を測定するには特別な方法が必要です)

ちなみに、上記の内容は金属に限った話ではなく、
例えば水の過冷却にも当てはまります。


最後になりますが、この辺りは基礎の話なので参考資料は沢山あります。
教科書的なものを一冊挙げておきます。

金属凝固学概論
W.C.ワインガード著 / 大野 篤美訳 / ISBN4-8052-0016-2

一般に、液体が融点で結晶化する時や、飽和溶液から析出するときには
最初に結晶成長の核になるものが必要で、この核になるものが無ければ
結晶成長は何時までもはじまらず、過冷却となります。

さて、結晶の核となるのは、外から加えられた種結晶や、
液体中の固体不純物、液体中に偶然出来た結晶と同じ配列、等です。
このうち、種結晶以外から結晶核が生成する場合はエネルギーが必要で、
このエネルギー(結晶核形成エネルギー)が大きい場合には
それだけ結晶核は生成しにくいため、深い過冷却が観測...続きを読む


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