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教養・雑学

氷に塩をかけるとなぜ温度が下がるの?なぜ早く溶けるの?

氷は、20℃くらいの常温に放置すると、ゆっくり溶けていきますが、氷に塩をかけると早く溶けるようになります。

また、氷が溶けた時の水の温度は0℃付近ですが、塩をかけると温度が下がることが知られています。

ここでは、これらの現象がなぜ起こるのか記載しています。

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氷に塩をかけると、なぜ早く溶けるの?

冷蔵庫の冷凍室で作った氷を取り出してくると、氷はゆっくり溶けていきます。

氷に塩をかけると、溶けた水に塩が溶けていき、氷が早く溶けるようになります。

これは氷の融点が下がったためです。

一般に固体が液体に変化する温度を融点、反対に液体が固体に変化する温度を凝固点と呼びます。

氷が溶けて水に変化する融点は0℃です。また、水が氷に変化する凝固点も0℃です。

一般的に、水などの液体に塩などの固体を溶かすと、凝固点や融点が下がります。

これを凝固点降下といいます。

凝固点の下がる温度は、塩の濃度に比例し、氷と塩を質量比で3:1の割合で混ぜると凝固点、融点は-21℃まで低下します。

このように、氷の表面で、塩が水に溶けると氷の融点は純水の時の融点0℃より低くなるので、氷は早く溶けるようになります。

凝固点降下の原理

純粋な氷と水が混ざって0℃に保たれている状態では、氷が水になる分子の数と水が氷になる分子の数がつり合い、融解速度と凝固速度が等しくなります。

この状態で塩を加えると、塩を含む液体中では、水分子の比率が減って、液体から固体になる水分子の数が減少します。

塩は凝固しないので、液体側は塩が存在する分だけ凝固速度が遅くなり、融解が優勢になるため、融解熱によって周囲の温度が低下します。

融解速度は温度が高いほど大きく、温度が下がるほど小さくなるので、温度が低下すると、融解速度が低下してきて、凝固速度と融解速度がつりあうようになります。

この状態が凝固点降下の状態です。

氷に塩をかけるとなぜ温度が下がるの?

氷に塩をかけると温度が下がるのは、氷が溶けた水に塩が溶解する時の溶解熱と、氷が融解して、水になる時の融解熱のためです。

溶解とは、塩などの固体が水などの液体に溶けることです。また、融解とは、氷が水になるように、固体が液体になることです。

溶解熱により温度が下がる

氷に塩をかけると、溶けた水に塩が溶けていき、この時、周囲から熱を奪うので温度が下がります。

塩はナトリウムイオン( Na+)と塩素イオン(Cℓ-)からなる結晶を作っています。

塩が水に溶ける時、水の水分子同士の結合を壊して、ナトリウムイオンと塩素イオンが水分子の中に割り込んでいきます。

水と塩が別々に存在している状態は、塩が水に溶けている状態と比較して、エネルギー的に安定しています。

ですから、塩が水に溶けるためには、ナトリウムイオンと塩素イオンが水分子に割り込むためのエネルギーが必要となり、そのエネルギーを周囲から熱として奪うため、温度が下がります。

物質が溶解する時に吸収する熱を溶解熱と呼び、1g当たりのジュール(J/g)で表します。
1ジュールは約0.24カロリーです。

塩が水に溶ける時の溶解熱は、1g当たり約66.4ジュール(=15.9カロリー)です。

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融解熱により温度が下がる

氷が溶けて水になると、熱を吸収します。氷1g当たり334ジュール(=80.2カロリー)の融解熱を周囲から奪い、温度が下がります。

氷に塩をかけると融点が下がるので、氷が溶けて水になるので、塩が溶けます。

塩が溶けると塩の溶解熱により、熱の吸収が起こって温度がさらに下がります。

結局、氷の融解熱と塩の溶解熱により、周囲から熱を奪うので温度が下がるのです。

「氷に塩」の利用方法

氷に塩をかけて、温度が下がり、氷が早く溶ける現象は日常生活で利用されています。

手作りアイスクリーム

準備するもの
・砕いた氷1kg
 (冷凍庫で作った氷でもOKです)
・塩 330g

アイスクリームの材量(2人分)
・牛乳100cc
・卵 1個
・生クリーム50cc
・砂糖 45g
・バニラエッセンス 適量

大きなボウルに、砕いた氷と塩を入れて混ぜると、-5℃以下の温度になります。

アルミ製のボウルにアイスクリームの材料を入れ、氷の上に置いてかき混ぜて泡立てます。

混ぜていると、ボウルの下の方から徐々に固まり始め、10分ほどで美味しいアイスクリームができあがります。

融雪剤(凍結防止剤)

冬に道路に雪が積もると滑りやすくなるので、車の事故が起こりやすくなります。

これを防ぐために、融雪剤として雪に塩がまかれることがあります。

塩が溶けることにより、降り積もった雪 (氷)の融点が下がって溶けるからです。

塩だけではなくて、塩化カルシウム(CaCℓ2)なども融雪剤として使われています。

まとめ

氷に塩をふりかけると、氷が早く溶けるのは、氷の融点が下がるためです。

氷水に塩を加えると水の温度が下がるのは、氷が水に変化する時の融解熱と、塩が水に溶ける時の溶解熱により、熱を吸収するからです。

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