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氷に塩をかけると冷える理由

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手作りアイスクリームを作る器具に、氷に塩をかけて冷やすものがあるのをご存知でしょうか。
氷に塩をかけるのは、氷の温度0度より下げるためですが、氷に塩をかけると温度が下がるのでしょうか?

先ず、暖かい部屋に大きな氷を出したところを想像してみてください。
大きな氷の塊なら部屋の温度が下がり、氷は時間経過に連れて融け、周囲は融けた水で溢れてしまうことは理解できると思います。
なぜ部屋の温度が下がるのでしょうか?
考えられることは一つ、氷が熱エネルギーを吸い取って、水になったということです。
では、なぜ、氷が水になるときにエネルギーを必要とするのでしょうか?
氷は水素原子2個と酸素原子1個で構成された水分子が周囲の水分子と強固に結びついたものです。
水分子同士の結びつきが強固なので氷は水のように自由な形にならないのです。
液体の水の場合は、水分子同士の結びつきが少し弱くなります。ですから、どんな複雑な形をした容器でも満たすことができますが、自由に動けるということはエネルギーを必要とするということです。
私たちでも運動すれば寝ているときよりエネルギーを必要とします。

このように、固体の氷から液体の水になるとき周囲からエネルギーを奪う、すなわち、周囲の温度が下がります。このときの熱量を融解熱と言います。

では、塩の役目は何でしょうか?
氷に塩をかけると、融けていた水に塩が溶けます。
塩が水に溶けるというのは、塩を構成している塩素とナトリウムの結び付きが切れて、塩素がマイナスの電気を帯び、ナトリウムがプラスの電気帯びてイオン化してその周囲に水分子を電気的に結合させて安定することです。
このとき、エネルギーを必要とするので周囲から熱エネルギーを奪いますから、周囲の温度が下がります。
逆に熱を放出する物質がありますが、溶質が溶媒に溶けるときの熱の出入りを溶解熱と言います。
砂糖が顕著ですが、砂糖水を作るときに加熱すると、より溶けるのは溶解熱を外部から与えているからです。

もうひとつ大事なことは、塩水を凍らせるには、水分子から塩素やナトリウムのイオンを離さなければならないので、そのためのエネルギーを外部から必要とするので水が凍る0度では凍らないということです。

まとめると、氷に塩をかけると、
氷が水になるときに周囲から奪う融解熱
塩が水に溶けるときに周囲から奪う溶解熱

の相乗効果で温度が下がり、温度が下がっても塩水のために周囲の水が再び凍ることがないので反応が止まることがなく温度が下がるということです。
質量で、氷の3分の1の塩を振り掛けると、零下20度まで下がるそうです。


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