中学理科

凝固点降下はなぜおこる?原理をわかりやすく解説してみた

こんな人にオススメ▼

・凝固点降下の根本的な原理を知りたい方。

・実験レポートのために、凝固点降下の原理や公式は調べたけど、何が起こってるかわからない方

ぽんぽこぽん!ぽんすけです。

お読みいただきありがとうございます。

本日の記事は、塩と氷でアイスをつくる実験でご紹介した「凝固点降下」の原理を簡単に解説していきます。

念のため、凝固点降下の定義をお話しておきます。

凝固点降下とは?

液体に他の物質を溶かしたときに、凝固点が低くなる現象のこと

こんな風に一言でまとまっちゃっていますが、正直、日本語でOKですよね。

そこで、今回は塩と氷を例に、凝固点降下の原理を解説していきます。

では、はじまりはじまり~☆

【前提知識】なんで水に氷を入れると水温が0度になるの?

まず、凝固点降下の説明をする前に、ひとつ前提知識のお話をさせてください。

水に氷を入れると、水温が低くなるのはご存じかと思います。

水に氷を入れると、水温が0度になるのもご存じでしょうか。

でも、それ以上、温度が下がることはありません。

そもそも、なんで水に氷を入れると、水温が0度になるのでしょうか

まずは結論。

水+氷→水温が0度になる理由▼

融解による吸熱速度と、凝固による発熱速度が0度で一定になるから

では、具体的に水と氷の間の世界から、水温が0度になる理由を解説していきます

氷と水の絵

↑の図の青い斜線部分を拡大してみていきますよー。

氷が融解するときは「吸熱反応」

氷と水が触れている部分(↑青い斜線部分)では、氷が水に溶ける反応が起こっています(=融解)。

氷は融解するときにエネルギーが必要です。

そのエネルギーとして、周囲の熱を吸い取っちゃいます(=吸熱反応)。

氷の溶解熱の解説図
『氷が水になると、吸熱反応が起こる』ということをまずは押さえてください。

水が凝固するときは「発熱反応」

氷と水が触れている部分で起こっているのは、融解だけではありません。

水が氷になる『凝固』が起こっています。

水の凝固の解説図

水が凝固するときは、エネルギーがいりません。

むしろ、余分なエネルギーをポイっと捨ててしまいます。

なので、水の凝固では、周囲に熱放出します(=発熱反応)。

これまでのまとめ▼

・氷が水になると、吸熱する(=融解熱は吸熱反応

・水が氷になると、発熱する(=凝固熱は発熱反応



水に氷を入れると0度になる理由「融解の吸熱速度=凝固の発熱速度が一定になるのが0度だから」

水に氷が入っているとき、融解による吸熱反応と、凝固による発熱反応は常に起こっています。

水の場合、吸熱反応と発熱反応のスピードが同じになるのが、水温0度(=平衡状態となる)。

言い換えると、水と氷が一緒にいる限りは、吸熱速度と発熱速度が0度で一定になっています。

これまでのまとめ▼

・氷が水になると、吸熱する(=融解熱は吸熱反応

・水が氷になると、発熱する(=凝固熱は発熱反応

水温が0度のとき、吸熱速度と発熱速度が釣り合う

では、お次は、凝固点降下で何が起こっているか解説していきます!

なぜ水+氷+塩で凝固点降下が起こるのか?

水と氷の中に、塩がつっこまれると何が起こるのかを解説!

当たり前ですが、塩は水にのみ溶けます。氷には解けません。

ここで、実は、塩が一部の凝固を邪魔します。

凝固点降下の解説図

もう一度思い出してください。

・水が氷になると、発熱する(=凝固熱は発熱反応

でしたね。

つまり、凝固が邪魔されると、発熱速度が下がってしまいます。

一方で、融解は邪魔されていないので、吸熱速度はそのまま。

すると、水と氷の世界で、吸熱速度>発熱速度となり、周囲の熱量をどんどん奪うようになります。 

これが凝固点降下!

塩+氷水で水温が下がる理由です。

今日のまとめ

最後に、今日のおはなしをまとめます!

凝固点降下とは?▼

液体に他の物質を溶かしたときに、凝固点が低くなる現象のこと

凝固点降下の原理(水と塩を例に)▼

・水の中の塩が凝固を邪魔する

・凝固が邪魔されたことで、吸熱速度>発熱速度となる

・周囲の熱量が奪われるため、水温が下がる

・吸熱速度=発熱速度となったときに、水温が一定となる

参考になりますように!

おあとがよろしいようで。

アイスづくりサムネ
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