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マンガ美味しんぼで「氷3に対し塩1を混ぜると温度がー20℃まで下がる」とありました。融点が下がるなら分りますが、温度が下がるというのは本当なのでしょうか?

そのマンガでは氷に塩を混ぜて温度を下げ、アイスクリームの材料を金属筒に入れて氷の中で回してアイスクリームを作ってました。雁屋哲氏作なのでフィクションといえど漫画の核心部分で誤るとは思えません。御存知の方、教えて下さい。

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A 回答 (5件)

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この回答へのお礼

ありがとうございます。
なるほど融点が下がって氷が溶け、熱を奪って温度が下がるのですね。

お礼日時:2008/03/15 00:20

はじめまして。



その通りです。
凝固点温度(氷になる温度)が下がります。
融点と凝固点はほぼ同じ温度ですから、
同じことを言い方を変えて述べられているに過ぎません。


氷(凝固点=0℃)に塩を混ぜる

氷がどんどん溶け出す(凝固温度が下がるから)

氷が解ける時に周りから融解熱をたくさん奪う

塩付けの氷が凝固する温度まで温度が下がる

-20℃
だったと思います。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。
疑問は解決しました。

お礼日時:2008/03/15 00:29

理屈は最初の方が張ってますんで省いて…



実際に私が小学生のころに
砂糖水を試験管に入れて
塩をかけた氷の入ったたらいに刺しておいて
アイスキャンディーを作るという実験をしたことがあります。

おいしかったですけど
今思うと、前に使った人はちゃんと試験管を洗ってたんでしょうかね。
何か混ざってたら怖いですね。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。
小学校時代はそんな楽しい実験はしませんでした。うらやましい。

お礼日時:2008/03/15 00:27

もっと難しめの解説かな。


http://www.geocities.jp/t_hashimotoodawara/salt6 …
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この回答へのお礼

ありがとうございます。
なるほど、塩:氷=1:3の根拠はこれですね。

お礼日時:2008/03/15 00:25

http://www.h-hagiya.com/es/mizu10.htm

アイスクリームは小学校の理科の実験でよく行う題材だと思いますがね。
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この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時:2008/03/15 00:21

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Q氷と食塩の関係について。

氷に食塩をかけると速く溶けますが、その理由を教えてください。
私が考えたところでは、水の融点が変化することが理由だと思うのですが、うまく説明できないので、よろしくお願いします。

Aベストアンサー

No.2です。補足します。
塩をかけることによって凝固点降下が起こります。
すなわち、氷の温度(0℃)では食塩水は凍りませんので、食塩をかけた周囲では氷が溶けはじめることになります。つまり、実際には氷の表面ではわずかながら氷が溶けて水になったり、生じた水が再び凍ったりといった変化を起こしていますので、溶けた際に食塩と混ざりあい、凝固点(融点)が低下し、水になったまま氷に戻らなくなってしまうわけです。
さらに、ひとたび水が生じれば、上述の氷と水の間の変化も起こりやすくなり、加速度的に水が発生することになります。

一般に凝固点降下は、溶媒(ここでは水)中の溶質の濃度(厳密に言えば単位体積中の溶質の「粒子(分子やイオン)」数)に比例します。中学レベルで説明するならば、食塩は比較的水に良く溶ける上に、少量でも多くの「粒子」(イオン)を生じる性質があるので、多量の氷を溶かし、温度を下げることができると言うわけです。

水によく溶ける物質であれば、食塩の場合と同様に、上述のことが起こりますので、氷を溶かし、温度が下がる可能性があります。ただし、水に溶けた時に多くの熱を発生する物質は、温度を下げるのにはハンディがあるかもしれませんね。

参考URLに種々の例が示されています。

参考URL:http://www.mlsrc.saitama-u.ac.jp/kiki/table/freezing.htm

No.2です。補足します。
塩をかけることによって凝固点降下が起こります。
すなわち、氷の温度(0℃)では食塩水は凍りませんので、食塩をかけた周囲では氷が溶けはじめることになります。つまり、実際には氷の表面ではわずかながら氷が溶けて水になったり、生じた水が再び凍ったりといった変化を起こしていますので、溶けた際に食塩と混ざりあい、凝固点(融点)が低下し、水になったまま氷に戻らなくなってしまうわけです。
さらに、ひとたび水が生じれば、上述の氷と水の間の変化も起こりやすくなり、加速度...続きを読む

Q氷に塩をいれるとマイナス10度Cくらいまで下がりますが

子供がお茶を早く冷やすのに精氷機の氷の中にペット
ボトルを埋めていましたが、上から食塩ふったらもっと
下がって冷たくなると教えてやりました。
実際表面に氷がつくくらい冷えましたが、どうして下が
るのか聞かれて返答に困りました。
どんな原理でしたか?

Aベストアンサー

固体から液体に相変化を起こすには、融解熱が必要になります。(液体から固体の場合は凝固熱を放出)
これは、ある決まった配列に並ぶことで安定化した状態である固体を、分子(原子)が自由に(乱雑に)動ける液体にするためのエネルギーにあたります。

通常の融解では、

  まわりから熱を受け取る(奪う) → 融解(配列解除)

という順序になり、融解が起きている間は温度が一定になります。これが「融点」です。

ところが、氷に塩を加えた場合は、氷を作る水分子の間に、一部溶解していた水に溶けた塩化ナトリウムから発生したイオンが入り込むことで、融点とは関係なく、氷の融解が引き起こされます。

この結果、

  融解(配列解除) → まわりから熱を受け取る(奪う)

と、通常の融解とは順序が逆になるため、氷の融点よりも低い温度をつくることができるようになります。


・・・なんですけど、子供にこれを説明するとなると・・・
「氷が早く溶ける分、速く冷えるのね」といった説明あたりが無難ではないでしょうか。

Q氷に塩をかけるとなぜとけるのか、、、。

自由研究で氷にいろいろな調味料をかけてみた


ところ塩が一番早くとけました。


なぜはやく溶けたのか知りたいので


しっているひとは教えてください><

あと、、、

一番最後は小麦粉でした。

小麦粉はなぜ遅くとけるのですか??

なるべく2つ教えてください。

1つだけでも全然かまいません!!!!!!!!

Aベストアンサー

説明として以下の様になります、抜粋したものです。


凝固点降下は確か小学生でも扱う事実ではありますが、説明をすることはとても困難なことです。
今回はかなり強引な説明をします。

凝固点降下は粒子(分子やイオン)の数が多いほど降下します。つまり大量の塩を入れたり、同じ量を入れる場合でも、粒子の細かいものほど降下します(つまり一見した重さは同じでも、分子が大きい上に溶解度が小さい砂糖より、塩のほうが粒子の数が多いので降下の作用は大きい。溶けない砂は降下作用はない)。

ではなぜそのようなことが起こるのかというと、例えば羊の群れに狼を放つのと同じです。群れの外から狼が近づくと、群れの一番外の羊は狼から遠のくために群れの形が少し崩れます。(群れの結束力を吸収(氷のエネルギーを奪う)してしまう)その空いた空間にさらに狼が…すると羊の群れは四散します。つまり結束力の高い氷から低い水に変わるわけです。
狼は多ければ多いほど崩壊は早くなります。
このとき、狼が来ようが、虎が来ようが、ライオンが来ようが、群れが瓦解することは変わりがありません。つまり肉食獣の数によるわけです。

ただこの説明は必ずしも正確ではありません。正確に説明するには難解な用語を持ち出す必要があるので…

補足します。
塩をかけることによって凝固点降下が起こります。
すなわち、氷の温度(0℃)では食塩水は凍りませんので、食塩をかけた周囲では氷が溶けはじめることになります。つまり、実際には氷の表面ではわずかながら氷が溶けて水になったり、生じた水が再び凍ったりといった変化を起こしていますので、溶けた際に食塩と混ざりあい、凝固点(融点)が低下し、水になったまま氷に戻らなくなってしまうわけです。
さらに、ひとたび水が生じれば、上述の氷と水の間の変化も起こりやすくなり、加速度的に水が発生することになります。

一般に凝固点降下は、溶媒(ここでは水)中の溶質の濃度(厳密に言えば単位体積中の溶質の「粒子(分子やイオン)」数)に比例します。中学レベルで説明するならば、食塩は比較的水に良く溶ける上に、少量でも多くの「粒子」(イオン)を生じる性質があるので、多量の氷を溶かし、温度を下げることができると言うわけです。

水によく溶ける物質であれば、食塩の場合と同様に、上述のことが起こりますので、氷を溶かし、温度が下がる可能性があります。ただし、水に溶けた時に多くの熱を発生する物質は、温度を下げるのにはハンディがあるかもしれませんね。

麦粉、庭の砂
は、溶解するのではなく、濡れるだけです。

砂糖、
は、溶解しますが、塩を同じ溶媒としての機能を求めるには、
数倍の量が必要だし、また、冷たい水には溶けにくい物です。

塩、砂糖、小麦粉、庭の砂、
この中で一番水と仲良しなのは、塩で、
氷を溶かしてまで、仲間を増やそうとするのです。

これは、凝固点の話ですが、
沸点は、逆で、沸点上昇をします。
塩水だと、105度でも沸騰しないのです。

溶媒が溶け込んでいる水の水分子は、水の状態であり続けようとして、
固体になったり、液体になったり、をしたがらないのです。

これは浸透圧とも関連するとても高度で
利用価値の高い化学的現象なのですが、
私の説明は、小学生並ですね。
でも
庭の砂と比較しているのだから、設問も小学生並ですね。


氷に塩をかけると温度が低下しますよね。
そのためには、熱をどこかに放出する必要があります。
その熱を放出するために氷が溶けます。

つまり、氷が溶けることによって熱が奪われ、その結果、温度が0℃以下に下がるということです。

説明として以下の様になります、抜粋したものです。


凝固点降下は確か小学生でも扱う事実ではありますが、説明をすることはとても困難なことです。
今回はかなり強引な説明をします。

凝固点降下は粒子(分子やイオン)の数が多いほど降下します。つまり大量の塩を入れたり、同じ量を入れる場合でも、粒子の細かいものほど降下します(つまり一見した重さは同じでも、分子が大きい上に溶解度が小さい砂糖より、塩のほうが粒子の数が多いので降下の作用は大きい。溶けない砂は降下作用はない)。

ではなぜそのよう...続きを読む

Q氷に塩をかけた場合と砂糖をかけた場合?

子供の夏休みの実験ですが,氷に塩をかけた場合,砂糖をかけた場合,何もしない場合で,塩が一番早く溶けてしまい,砂糖は一番溶けにくいという結果でした.どうしてでしょう?

Aベストアンサー

こんばんは

砂糖でも塩でも水に溶かせば水の融点が下がります。これを凝固点降下と呼びます。
0度で氷だったものに何かが溶けると、凝固点が下がって0度の水になります。
見た目は氷が溶けたようになります。

ただ融点が下がるには、溶けた粒子(分子やイオン)の数が重要です。
これをモル凝固点降下と呼びます。
1kgの水に1モルの粒子を溶かすと1.858度凝固点が下がります。
あとはこの割合で計算すればいいのです。

砂糖は分子が大きく(分子量342=1モルの重さg )、
塩は小さい(分子量58.5=1モルの重さg )なので
同じ重さにすると塩の方が6倍近く多くの粒子を含みます。
これは同じ重さならば塩の方がモル数が多いということです。

さらに塩は水に溶けると電離して数が2倍になります。
これは同じモル数ならば塩の方が粒子の数が2倍になるということです。

氷に同じ重さの塩と砂糖をかけてみた場合、塩は砂糖の12倍の数の粒子を
かけたのとおなじになりますから、凝固点もぐっと下がります。つまり0度
と凝固点の温度差は塩をかけた方が大きいということです。
凝固点から高い温度にある物の方が速く融けますから、塩の方が速く融けたのです。

おおざっぱな話で塩と同じ速度で氷が融けるようにするには12倍の砂糖が
必要になるということです。でも、そんなにたくさんの砂糖をかけたらなん
だかわからなくなりそうですね。

こんばんは

砂糖でも塩でも水に溶かせば水の融点が下がります。これを凝固点降下と呼びます。
0度で氷だったものに何かが溶けると、凝固点が下がって0度の水になります。
見た目は氷が溶けたようになります。

ただ融点が下がるには、溶けた粒子(分子やイオン)の数が重要です。
これをモル凝固点降下と呼びます。
1kgの水に1モルの粒子を溶かすと1.858度凝固点が下がります。
あとはこの割合で計算すればいいのです。

砂糖は分子が大きく(分子量342=1モルの重さg )、
塩は小さい(分子量58...続きを読む

Q氷に塩を入れるとなぜ温度が下がるのですか?

氷に塩を入れると温度が下がりますが、道路の雪を溶かすための融雪剤も成分は塩ですよね?そこでなんですが、塩は温度を下げるのになぜ雪を溶かすのでしょうか?

Aベストアンサー

塩は温度を下げるのに雪を溶かすというのは話が逆です。
雪を溶かすには熱が必要で、「雪が溶ける際に周囲から熱を奪うから温度が下がる」というのが正しい因果関係です。
なぜ雪が溶けるのかといえば、これまでの回答にもありますように凝固点降下が原因といえるでしょう。

融雪剤の成分は塩化カルシウムが普通だと思いますが、原理的には食塩の場合と同じです。ただし、異なる点として、塩化カルシウムは水に溶ける時にかなりの熱を発生しますので、その分だけ、食塩よりも効率的に雪を溶かすことができます。また、それ以外にも大量の水を吸い込んで液体になるとか、食塩よりも有利な性質があるためだと思います。

参考URL:http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=2308589

Q氷に塩or塩水で温度が下がるのはどっち

釣りに行くので氷は必需品です。

スーパーなどで保冷用の氷を貰っていきます。
クーラーボックス(もしくは発砲スチロールの箱)に氷を入れて、
そこに釣った魚を入れていきます。
(魚は15cmほどのサヨリなので、秋刀魚の稚魚だと思ってもらって差し支えありません)
ある程度釣ったらさかなの保存の為に塩水(約30%)を入れて居ます。
(浸透圧の問題で真水の氷水だと魚がふやけます)

そこで質問ですが・・・
塩を掛けると氷の温度が下がります。
塩水でも同じでしょうか?

できれば魚がシャキシャキぐらいになると良いのですが・・・
長時間冷えが続くのは塩ですか塩水ですか?

Aベストアンサー

>塩を掛けると氷の温度が下がります。
>塩水でも同じでしょうか?
下がりません。(^^) いわゆる寒剤ですが塩の融解熱は無関係です。

 体験もされているはずです。
 アイスコーヒーを作るとき、同じ重さの0℃の【水】に入れたてのコーヒーを入れても生ぬるいコーヒーが出来るだけ
 熱がある時に、0℃の氷枕と、0℃の水枕・・・どちらが熱を奪うでしょう。
 やかんの口から出てくる気体--同じ100℃でも白煙(細かい水滴)に指かざしても平気だけど、透明な水蒸気の部分に指入れたら大火傷する。
 熱と温度は違うもの---中学校の理科で徹底的に叩き込まれたはず(状態変化)
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 ビーカーに氷を入れて加熱して氷が溶けるまで【いくら熱を加えても】温度が変わらず0℃のまま、沸騰するときも同様でしたね。

 氷で頭やコーヒーを冷やせるのは、氷が溶けるときに大量の熱を奪うからです。
 水蒸気で火傷したり、蒸気機関が動くのは水蒸気が大量の熱(エネルギー)をもつからです。
 霜が降りて野菜が傷むのは霜が溶ける時に大量の熱を奪うからです。

>ある程度釣ったらさかなの保存の為に塩水(約30%)を入れて居ます。
 まったく意味無いです。塩を振ったほうが良い。
 塩水だと浸透圧で旨みがみな出てしまう。
>(浸透圧の問題で真水の氷水だと魚がふやけます)
 なら、氷と魚が接触しないように氷はポリ袋にいれて作るか、ポリ袋に入れる。
 ボックスの下に氷をいれ「すのこ」でも置けばよい。

>長時間冷えが続くのは塩ですか塩水ですか?
 塩はまったく関係ないです。氷か水の違いだけです。
 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
 塩が存在すると温度は下がりますが、それによって熱を沢山奪うわけではない。
 固体が液体になるときに大量の熱エネルギーが必要です。水に塩が含まれると固体と液体の境界にぶつかる粒子の数が塩に邪魔されて減るから、相対的に熱を奪って固体⇒液体になる粒子の数が増えるから温度が下がる。系全体の温度は下がっても熱の量は変わらない。

>塩を掛けると氷の温度が下がります。
>塩水でも同じでしょうか?
下がりません。(^^) いわゆる寒剤ですが塩の融解熱は無関係です。

 体験もされているはずです。
 アイスコーヒーを作るとき、同じ重さの0℃の【水】に入れたてのコーヒーを入れても生ぬるいコーヒーが出来るだけ
 熱がある時に、0℃の氷枕と、0℃の水枕・・・どちらが熱を奪うでしょう。
 やかんの口から出てくる気体--同じ100℃でも白煙(細かい水滴)に指かざしても平気だけど、透明な水蒸気の部分に指入れたら大火傷する。
 熱と温度は違う...続きを読む

Qアイスクリームを運ぶ時・・・

こんにちはです。
今週の金曜日にお友達のおうちに遊びに行く際に、お土産は何がいいか聞いた所、某有名アイスクリームがいいとリクエストがあり、それを持っていこうと思ってるんですが(私も食べたいし♪)彼女の家までは車で2~3時間ほどかかるのでどうしようかと悩んでいます。
アイスクリームを当日にお店で買えばドライアイスで3時間くらい問題ないと思うんですが、朝早く出るのでお店で買ってから彼女に家に向かうということは無理なので、前日に購入するしかないんですが(彼女の家に向かう途中にそのアイスクリームが売ってないかも探したんですがありませんでした(泣))、そうするとドライアイスが・・・(T_T)ゞ
あと、家にはクーラーボックスもないんですが(これを機に買うべき?)最近スーパーでみる発泡スチロールのクーラーボックスまがいに、氷を大量に入れた場合3時間の道のり!アイスクリームは溶けずにいてくれると思いますか?
(金曜日の天気予報によると気温は20~28℃となっています)
なにか運ぶ方法について、アドバイスいただけたら嬉しいです。
どうぞ、よろしくお願いしますm(__)m

こんにちはです。
今週の金曜日にお友達のおうちに遊びに行く際に、お土産は何がいいか聞いた所、某有名アイスクリームがいいとリクエストがあり、それを持っていこうと思ってるんですが(私も食べたいし♪)彼女の家までは車で2~3時間ほどかかるのでどうしようかと悩んでいます。
アイスクリームを当日にお店で買えばドライアイスで3時間くらい問題ないと思うんですが、朝早く出るのでお店で買ってから彼女に家に向かうということは無理なので、前日に購入するしかないんですが(彼女の家に向かう途中にその...続きを読む

Aベストアンサー

こんにちは。
ビニール袋に氷を入れ、そこに食塩を振りかけて
すぐにビニール袋の口をとじて
がしゃがしゃがしゃっと振り混ぜます。
どんどん温度が下がってきますので、
それを発泡スチロールの箱にアイスクリームと一緒に詰めれば
いいとおもいます。
ねんのためビニールは二重にしたほうがいいかもしれませんね。

Q氷と塩 氷と砂糖

氷と塩を混ぜると温度が0度より下がるのですが、
氷と砂糖を混ぜても温度が0度より下がらないのはなぜですか?

氷と塩が混ざった時の温度が0度より下がる理由と
氷と砂糖が混ざった時の温度が0度より下がらない理由を

分かりやすく、詳しく、教えてください。

自由研究でこれに関連した内容をやろうと
思っているので中学生にも分かるよう、
お願いします。

Aベストアンサー

砂糖でも0度以下に下がると思いますが、下がりにくいです。

温度の下がり方には様々な要素が絡んできますが、まず、考えられるのは、含まれる粒子(イオンや分子)の数です。

食塩と砂糖の式量(分子量)は以下の通りです。
食塩NaCl=58.5
砂糖C12H22O11=362
食塩がNa+とCl-のイオンに分かれることを考慮すると、食塩29.25gに含まれる粒子の数と砂糖362gに含まれる粒子の数が同じ(6.0×10^23個)ということになります。
★つまり、質量(重さ)でいうと、食塩の10倍以上の砂糖を加えないとダメだということになります。

そのほか、食塩と砂糖の水に対する溶解度とか、食塩と砂糖の固体から粒子をバラバラにするためのエネルギーの違いとか、様々な原因があると思います。

Q氷に塩を混ぜると温度が下がるのは、なぜ?

小学生にある程度分かるように説明したいのですが、どう説明したらいいか教えてください。
「氷に塩を混ぜたモノに袋入りのジュースを入れると、シャーベットになる」という実験をしようと思っています。
小学生が納得できるような簡単な説明はないでしょうか?

Aベストアンサー

参考URLの「水と空気のお話」→「氷水に食塩を混ぜると温度が下がるのは? 」にも小学生向けの簡単な説明が有ります。
でも私の時(40年近い前)は同じ様な説明で『じゃぁ、砂糖ではだめなの?』と質問が出た。「ではやってみましょう」と氷の上に砂糖と塩をかけて実験。結果は塩の方が氷が早く解ける事が分かる。
この事とURLの内容(水では無く氷が冷える)とで「砂糖ではなく塩で無ければシャーベットは食べられない。」と結論付けられた。(^o^)

-------------- 
実は砂糖は私が持込んだもの。だって前にNHK教育で同じ実験をやっていたんですもの。


勝手な式で表してみると
水 - 熱 = 氷 .....水から熱を奪うと氷になる/冷える
氷 + 熱 = 水 .....氷に熱を加えると水になる

氷 - 水 = -熱 ..0度の氷と0度の水の差は熱である(固体である氷が液体の水になるの熱が必要で、上の式はその溶解熱を表している)
※砂糖と塩の違いは塩の方が水気を吸い易い。(塩自体にも溶ける時に氷と同じ様に熱を必要とするから。)

で、こんな物でそうでしょう。「★」以降はちょっと説明が難しいかも。

参考URL:http://www3.justnet.ne.jp/~hagiya/index.htm

参考URLの「水と空気のお話」→「氷水に食塩を混ぜると温度が下がるのは? 」にも小学生向けの簡単な説明が有ります。
でも私の時(40年近い前)は同じ様な説明で『じゃぁ、砂糖ではだめなの?』と質問が出た。「ではやってみましょう」と氷の上に砂糖と塩をかけて実験。結果は塩の方が氷が早く解ける事が分かる。
この事とURLの内容(水では無く氷が冷える)とで「砂糖ではなく塩で無ければシャーベットは食べられない。」と結論付けられた。(^o^)

-------------- 
実は砂糖は私が持込んだもの。だって前に...続きを読む

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


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