理科 氷の実験について

理科の実験で、氷を解かす実験をしました。
水道水、食塩水、砂糖水、ウーロン茶、アクエリアス、コカ・コーラを氷にして、
溶ける速さを観察します。結果は、
食塩水→コーラ→アクエリアス→砂糖水→水道水→ウーロン茶
の順になりました。
ここで４つの疑問点が出てきました。

(1)食塩水は、ダントツでトップだったが、なぜそうなったのか。

(2)コーラは、最初のうちはとけるのがおそかったが、３０分くらいたつと一気に加速した。
　それはなぜなのか。

(3)なぜ不純物の少ない水道水は、溶けるのが遅いのか。

(4)そしてダントツにおそかった（食塩水との差は４０分）ウーロン茶は、
　なぜこれほどまでにとけるのがおそいのか。

この４つが一つでもわかる方、ぜひ教えてください。

No.3 ベストアンサー 回答者： princelilac 回答日時： 2012/08/10 19:12

　水に不揮発性の物質を溶かすと0度より低い温度で氷になります。

このような現象を凝固点降下と言います。氷の表面に食塩をかけると水になりますが、これは0度では食塩水が液体のままだからです。そし不純物を含んだ氷は凍るのと同じ温度で液体になります。

　凝固点降下は水溶液に含まれる不純物の濃度によります。つまり二種類の食塩水があると、濃度の高い方が低い温度で個体になり、個体は低い温度で液体に戻ります。食塩水の場合この温度(凝固点)がマイナス20度くらいにまで下がります。(液体が固体になる温度が「凝固点」、個体が液体になる温度が「融点」です。この二つは同じ温度を二種類に言い換えてます。)

(1)凝固点効果は濃度に比例します。そして食塩は電解質なので、水中では粒子が分離しますので、凝固点降下が二倍になります。つまりコーラの中の不純物の半分の食塩を入れると、コーラと食塩水が同じ温度で凝固します。実験の食塩水はコーラの半分より多い食塩が含まれていたのです。食塩の量によって実験結果が変わっていたのです。
残りの物も、濃度の差で違いが出たのだと考えてください。

(2)温度が上がって二酸化炭素が出た(よく言う「気が抜けた」)から、氷が崩れたのでしょう。

(3)二つ目の段落で説明したとおりです。不純物が少ない方がそうなります。不純物が多いと水同士の結合の妨げになるのです。この実験全体に当てはまることなので、最初に書きました。

(4)ウーロン茶の茶色い成分は、塩や砂糖のように水に溶けているのではありません。泥水の泥のように、溶けずに漂っているだけで凝固点降下には影響がありません。そしてお茶は一度沸騰させて作りますので。その時に不純物が取り除かれるので、凝固点はさらに上がることになります。水道水に含まれる消毒剤よりも、ウーロン茶の方が溶けている成分は少ないので、このような結果になりました。時間差は実験室の温度にも左右されますが、食塩水が飽和のような高濃度で実験したのだと考えられます。

この回答へのお礼

とても詳しく書いてくださりありがとうございます。
これも同じように、まとめの使わせていただきます。
本当にありがとうございました。

お礼日時：2012/08/11 10:03

No.4 回答者： okormazd 回答日時： 2012/08/10 22:57

水に何かが溶けていると、氷になる温度が下がります。

だから、温度の低い氷ができます。これを凝固点降下といいます。
だからといって、凝固点効果があると氷が速く溶けるというのでは何の説明にもなりません。

氷が解けるためには、熱(エネルギー)が必要です。これを融解熱(=凝固熱)といいます。この熱をどこかから供給しなければ氷は解けません。ふつうこの熱は周りの空気から供給されます。空気から氷に熱が移動するのです。

この熱の移動の速さは氷と空気の温度差に比例します。氷と空気の温度の差が大きい方が熱が速く伝わるのです。
だから、空気の温度が同じなら温度の低い氷の方が温度の高い氷より速く熱が伝わって、早く解けることになります。

凝固点降下は、濃度によるので、質問からは解ける順番については何とも言えません。濃度等についてもっと条件をきちんとして比較する必要があるでしょう。溶けているのか混ざっているのかの違いもあります。

さらに、氷の作り方によっても違ってきます。冷蔵庫の製氷皿のようなところで塩水全部が凍るように作れば、塩がついている氷ができて上記のようになるでしょうが、北極の海でできる氷は塩水からできたといっても、何も溶けていない水から作った氷とほとんど変わらないでしょう。塩は氷の中には入りにくいからです。

この回答への補足

食塩水、砂糖水ともに５％の濃度です

補足日時：2012/08/11 09:43

この回答へのお礼

難しい言葉を簡単な言葉に説明していただき、
とても分かりやすかったです。
これもまとめの一部に入れていただきます。
ありがとうございました。

お礼日時：2012/08/11 10:14

No.2 回答者： Saturn5 回答日時： 2012/08/10 18:29

食塩水中で氷が融けるのが速くなる理由は凝固点降下です。

水の融点は０℃ですが、食塩水の場合は濃度によりますが、
－５℃とか－１０℃になります。
そのため、氷と水の接触している部分では０℃では固まっていることが
できなくなるので、かなり速い速度で融けるのです。
もし、余裕があればそのときの温度を測定してみてください。
０℃以下になっていると思います。
また、濃度を変えて実験してみるのもいいでしょう。

コーラの出足が遅いのは炭酸が原因だと思います。
初期の状態では炭酸の泡が氷の表面にまとわりついて、これが断熱材の
役割をしたのだと思います。
泡が無くなってからは、砂糖による凝固点降下で水よりも速く融けたのでしょう。

アクエリアスが水よりも速いのは、砂糖やいくつかのイオンにより凝固点降下です。

ウーロン茶が水道水よりも遅いのは特筆すべき現象です。
ウーロン茶は純水ではなく、凝固点降下はありますが、その影響が小さいのです。
凝固点降下は基本的に水中の分子数やイオン数に比例する物です。
食塩などではイオンが小さいため、１ｇでもたくさんのイオン数になって凝固点降下が
大きく出るのです。
これに対し、お茶の成分であるカフェインやタンニンなどは大きな分子であるため、
１ｇに含まれている分子数が少なく、凝固点降下が少ないのです。

また、お茶に含まれているポリフェノールなどが溶液としての流動性を下げ、
対流による熱の移動を妨げていることも考えられます。

この回答へのお礼

全部ていねいにまとめてくれて、ありがとうございました。
どの情報も、信用度がとても高いので、
安心してまとめに使えます。
ご回答ありがとうございました。

お礼日時：2012/08/11 09:57

No.1 回答者： jonjirou 回答日時： 2012/08/10 18:20

たぶんですが

（２）のコーラは炭酸ですよね?
ですから二酸化炭素が相当含まれています。

３０分ぐらいたったら一気に加速というのは
表面の氷（水分）がとけてなかの二酸化炭素が一気に放出されたためだと思うのですが・・・


どうでしょう？・・・

この回答へのお礼

なるほど!
とても分かりやすいです。
是非、参考にさせていただきます。
ありがとうございました。

お礼日時：2012/08/11 09:46