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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、なぜ温度が下がるの?

こたえ:物質の状態が固体から液体に変わるとき、周りの熱をうばうからです

氷に塩をかけると、2つの「溶ける」現象が起こります。1つは、固体の氷が溶けて液体の水になる現象。もう1つは、固体の食塩が液体の水に溶ける現象です。どちらも、物質の状態が固体から液体に変わるときに、必ず熱を吸収したり放出したりします。

氷が溶けるときは、周りの空気などから熱を吸収します。物を冷やすときに氷を使うのは、この原理を利用したものです。また、食塩が溶けるときも、同じく周りの水から熱をうばいます1。このように、物質が固体から液体に変わるのに必要な熱を融解熱(ゆうかいねつ)」、固体が液体の中に溶けるのに必要な熱を「溶解熱(ようかいねつ)」とよびます。氷に塩をかけると、食塩が溶けるための溶解熱を氷からうばい取るため、氷がより速く溶けて水になります。2つの「溶ける」現象が重なり、氷水の温度が下がっていくというわけです。

水が氷になる「凝固点(ぎょうこてん)」は0℃ですから、氷が水に溶けるときは、どんなに温度が下がっても0℃以下になることはありません。ところが、水に食塩が溶けると凝固点が0℃よりも低くなってしまいます。この現象を「凝固点降下」(氷点降下)といいます。氷は、水の分子が規則正しく並んでいる状態ですが、水の中に別の物質の分子が入り込んでくると水の分子が整列しにくくなり、なかなか氷になることができません。このため、食塩水のままで0℃以下に温度が下がっていくのです。

ここまでの内容を簡単な実験で確かめてみましょう1。用意するのは、コップと少しの水、それよりも多い量の氷、食塩、温度計です。まず、コップの中に水と氷を入れて、温度を測ります。氷が少しずつ溶けて水から融解熱が吸収されるので、水の温度が下がっていくのが分かるでしょう。

次に、食塩をどんどん加えていきます。すると、食塩の溶解熱の吸収も加わるので、氷水の温度は0℃よりも下がっていくはずです。食塩の量を増やして氷と塩の割合を31くらいにすると、マイナス十数という冷凍庫の中のような低い温度をつくり出すことができます。

凝固点降下は、身近なところでも利用されています。たとえば、道路に降った雪を溶かす「融雪剤(ゆうせつざい)」。冬になると地面に白い粉がまかれているのを見たことがあるかもしれません。あれは、食塩(塩化ナトリウム)や塩化マグネシウム、塩化カルシウムをふくむ融雪剤です2。それらの塩分と雪で食塩水をつくって凝固点を下げ、雪を溶かしたり凍結(とうけつ)を防いだりしているのです。水の溶けている塩の量が多いほど凝固点は下がり、それ以上は塩が溶けない「飽和食塩水(ほうわしょくえんすい)」は−21.3℃までこおりません2。塩化マグネシウムの水溶液は−33℃まで、塩化カルシウムの水溶液は−55℃まで、凝固点は下がります3

 

 

 塩を使えば、熱いものを一気に冷やせます4。たとえば、ゆでたうどんをもみ洗いするとき塩をまぜた氷水を使うと、コシが出ます。だしなどを容器ごと急いで冷ましたいときにも使えるワザです。

 ほかには、ジェラートづくりもできます。ボウルに塩をまぜた氷水を用意し、ボウルより小さな器にジュースなどこおらせたい液体を入れます。あとは、その液体をかきまぜるだけ。器の外側から固まってくるので、それをこそげ落としながら全体をまぜていきます。ていねいにかきまぜることで、空気をふくんでふんわりとしたジェラートができあがるそうです。

*1 同じ塩の仲間でも、塩化カルシウムなどは溶けるときに周りへ熱を放出します。

*2 塩をふくむ薬剤を道路にまくと、自動車に付着してさびを発生させたり、周りの植物をからしたりするおそれがあるため、塩をふくまない融雪剤もあります。

 

記事公開:2021年11月

参考資料

1)伯方塩業「氷水に塩をいれて温度をはかってみましょう!」『塩百科』:

https://www.hakatanoshio.co.jp/encyclopedia/experiment/e_03/e_03.html

2)塩事業センター「塩の基本 氷点降下」『塩百科』:https://www.shiojigyo.com/siohyakka/about/data/freeze.html

3)長谷川崇(国土交通省 北陸地方整備局 北陸技術事務所)「凍結防止剤の性能等の取りまとめ調査について」:http://www.hrr.mlit.go.jp/library/happyoukai/h27/E/E18.pdf

4)前野紀一/監修『ひんやり氷の本 』.2013年.池田書店

監修者:大山光晴

1957年東京都生まれ。東京工業大学大学院修士課程修了。高等学校の物理教諭、千葉県教育委員会指導主事、千葉県立長生高等学校校長等を経て、現在、秀明大学学校教師学部教授として「理数探究」や「総合的な学習の時間」の指導方法について講義・演習を担当している。科学実験教室やテレビの実験番組等への出演も多数。千葉市科学館プロジェクト・アドバイザー、日本物理教育学会常務理事、日本科学教育学会及び日本理科教育学会会員、月刊『理科の教育』編集委員等も務める。

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