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私は今自由研究で精製水と水を使った実験をしています。
そこで疑問があります。水は凍るのに精製水が凍らないのはなぜですか?
水には不純物が入っており精製水には入っていないことは知ってます。
なぜ不純物がある水は凍るのに、入っていない精製水は凍らないんですか?
とても困っています。。。

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A 回答 (2件)

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%8E%E5%86%B7% …
過冷却

ttp://web-japan.org/kidsweb/ja/hitech/freezing_technology/002.html
CAS凍結

瞬間凍結 水
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精製水も凍りますよ。



ただ、液体が凍るときには過冷却という現象があります。
液体が凍ると言うことは自由に動いていた分子が整列するということです。
たとえば、水の場合は凝固点である0℃以下になるち分子が整列しようとします。
しかし、最初の整列する基準がないために、-2℃くらいまでは凝固が始まりません。
この現象が過冷却です。
氷のかけらなどが入れてあると、分子がそこの整列するために0℃で凝固が始まります。

精製水は水以外の分子がほとんどないために過冷却が大きいのだと推定します。
いくら過冷却が大きくても-10℃くらいにしたり、スプーンなどで壁面をひっかいたり
すると凝固が始まります。
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この回答へのお礼

なるほどーー !!
わざわざありがとうございます。
自由研究の参考にさせてもらいます。
ありがとうございます。

お礼日時:2013/08/14 00:47

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Q浄水・蒸留水が凍りにくいのはなぜ?

冬休みの自由研究の宿題で
どんな水が凍りにくいのかを研究しています。
そこで普通の水道水、蒸留水、浄水を
同じ量だけ凍らせたところ、
水道水→浄水→蒸留水の順に凍り
純粋な水ほど凍りにくいことがわかりました。
が、どうしてなのかがわかりません。
学校が11日から始まるのでなるべく
早く答えがいただけたらうれしいです。
お願いします。

Aベストアンサー

No4 deepimpさんの回答にもあるように、水に不純物が溶けていると「凝固点降下」により、水の凝固点が0℃より下がることになります。

つまり、蒸留水→浄水→水道水の順に凝固点は低くなる、言い換えればこの順に凍りにくくなることになります。

でも、結果はそれとは逆のようですね。

なぜそうなったのかは、No2 w-palaceさんの回答にある「過冷却」がかかわっているものと思います。

単純に凍り始める温度ということであれば、凝固点降下と過冷却の両方を考慮する必要があり、ちょっと面倒ですよねぇ。。。

たとえば、水道水、蒸留水、浄水の3つをかき混ぜながらとか、全体を揺らしながら凍らせるとまた違った結果が得られると思います。
# こうすると、過冷却の状態をそれほど経由せずに凝固させることができる
# ためです。

Q「過冷却水」を作ったら失敗しました・・・

おもしろ科学実験の本に、過冷却水の作り方が載っていました。
「ペットボトルを冷凍庫に90分入れて、そ~っと取り出してから机にドン!!」ってやると
みるみる凍っていく・・・とか。

実際やってみたんですが、90分冷凍庫に入れておくとすでに凍ってました。苦笑

(1)90分っていうのは「常温」からですか?(私は冷蔵庫の少々冷えた状態からしました)
(2)グレープフルーツジュース(果汁100%)でやったんですが、それがいけなかったんですか?(水やお茶??それとも炭酸水?)
(3)実際やってみたことのある方は何のペットボトルで常温(あるいは冷蔵庫)から何分くらい冷やしましたか?

なんとしても目の前で凍っていく様子を見たいので
是非、アドバイスお願いします。

Aベストアンサー

 直接ペットボトルで確認したわけではありませんが、大学では理科系科目の基礎実験に過冷却の課題がありそれをやった経験から。
 まず、グレープフルーツジュースでは条件が異なるのでまず不可能とお考えください。
 できるだけ混ざりものの無い水を使用してください。(本当は水道水ではなく蒸留水やイオン交換水等が良いのですが、入手性の問題から水道水でも仕方ないでしょう。)
 次に冷却時間ですがこれは水の量とペットボトルの容量、そして冷蔵庫の冷凍室の性能等にもよるので何回か試す必要があるでしょう。

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なぜお茶は早く凍る?

自由研究で物の凍り方・溶け方の研究をしています。
中1なので、初めての研究に戸惑っています。
いろいろな液体で凍り方と溶け方を試したのですが
水より麦茶の方が早く凍り、早く溶けたのです。
麦茶より濃い緑茶で試すと、とても早く凍りました。
これはなぜでしょうか?
お茶に含まれる成分によるものですか?
わかる方がいたら教えて下さい。
もしわかればどんな成分が凍りやすいかなどもお願いしますm(_ _)m

Aベストアンサー

まず、水、麦茶、濃い緑茶が凍る温度を温度計を用いて測定してみてください。
一般に塩水などでは、凝固点降下が起こり0℃では凍らず、より低い温度にしなければ凍りません。
この事例を参考にすると、麦茶が早く凍ることは、逆ではないかと疑問を持たれたのですよね。
とても良いことだと思います。
今回の実験では、どのように温度を下げて凍らしたのですか?
冷凍庫など、十分熱容量が大きく、十分低温(例えば-20℃)のような所に同時に水や麦茶を入れて凍るところを観察したのですか?
この場合、凍る早さは凝固点だけでは決まりません。
どの液体も雰囲気温度(冷凍庫の温度;-20℃)よりも高い温度で凍ってしまうので、凝固点だけでなく、伝熱速度や結晶化速度、凝固熱(潜熱)の影響を受けます。
では、結論として、なぜ麦茶が早く凍るのか?
凝固点が高くなっていて、水よりも高い温度で凍り始めるのならば、溶けるときには、最後に溶け始めるはずですから、実験結果と合いません。
私の考えとしては、麦茶や緑茶などの不純物が混入したために、結晶が最初に生成するときに、それら不純物が核となって結晶加速度を早めているからだと思います。
雨が降るときも空気中の水蒸気がほこりなどを核として、凝縮して雨粒となりますが、それと同じ事が起こっているのだと思います。
よって、純粋な水を凍らせたときと比べ、緑茶など早く凍った氷の結晶は小さくなっているはずです。
結晶が小さいので、溶けるときは早く溶けるということではありませんか?
純水の場合、結晶の核となるものがないので、過冷却現象も起こっているかもしれません・・・
キーワードは、結晶核だと思います。

まず、水、麦茶、濃い緑茶が凍る温度を温度計を用いて測定してみてください。
一般に塩水などでは、凝固点降下が起こり0℃では凍らず、より低い温度にしなければ凍りません。
この事例を参考にすると、麦茶が早く凍ることは、逆ではないかと疑問を持たれたのですよね。
とても良いことだと思います。
今回の実験では、どのように温度を下げて凍らしたのですか?
冷凍庫など、十分熱容量が大きく、十分低温(例えば-20℃)のような所に同時に水や麦茶を入れて凍るところを観察したのですか?
この場合、凍る早...続きを読む

Q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。

Aベストアンサー

 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。

 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...続きを読む


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