氷に塩で温度が下がるのを子供にも分かるように説明するには

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やるのは簡単だけど、
なぜそうなるか説明するのはむつかしい。



氷に塩をかけると温度が下がるというのも
そのひとつで、家ですぐに試せるわりに、
その理由はよくわからないものです。


まあ基本的には
「知らなくてもいいや、ハイホー!」
ですむ問題なんですが
たとえば子供に聞かれたりしたときは
やはりうまく説明したいものです。



きちんと理由を考えると、
化学式なんかが出てきて結構むつかしいのですが

まさか子供あいてに
「NaCl + aq」みたいな化学式を出しても
分かるはずもないばかりか
文系出身の人はおとなだって分からないでしょう。

私だってわかりません。


そこで、そういったむつかしい用語をぬきにして
どうやって説明するか、考えてみました。

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ごく簡単にいえば、これだけ


最低限の説明でいえば

1.氷は溶けるときにまわりの熱をうばう
2.塩は氷がとけるのをはやくする効果がある


これだけになります。


1.は大きな氷が近くにあると、
なんとなく涼しくなることから分かると思います。


これは、氷が溶けて水になるときに
まわりの温度をうばう(下げる)からです。

そこに2.塩をかけることによって、
氷が溶けるのがはやまり、
よりまわりの温度が下がりやすくなる、

ということです。


まあ、これだけだと、
「ではなぜ塩に氷がとけるのをはやくする効果があるのか」
といったギモンがでるのですが

これについて話すととても長くなりますので
やはり「そういうものなんだ、ハイホー」
ということになってしまいます。


でも、たとえば夕飯のしたくで忙しいとき
学校帰りの子供がうしろから
「ねえねえ」と聞いてきたときなんかは
これぐらいの説明をするといいでしょう。


大人はいそがしいですからね、
いつまでも素朴な疑問ばかり考えているわけにはいきません。


しかし、もうちょっと気のきいた説明をしたい、
あるいは、あなた自身が気になるという場合、

あるいは不幸なことに
「そんなことはパパに聞きなさい!」
と奥様が言ったため、仕事帰りに待ちかまえられた
お子様に説明にしくてはならなくなった、

このような場合は
つづきをお読みくださいませ。

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詳しくいえば、こうなります


あらためて、
なぜ氷に塩をかけると温度が下がるかについて
さきほどよりこまかく理由をのべますと、

1.氷は温度が0℃以上になると、溶けて水になる
2.溶けるときにはまわりから熱をうばう
3.水に塩がとけるときにもまわりから熱をうばう
4.塩を入れると温度が0℃でも凍らなくなる



1.はまあ、ごぞんじかと思います
2.も先ほどのべたとおりで、
問題ないかと思いますが、少し補足しますと

0℃の氷がとけて、0℃の水になっただけでも
まわりから熱をうばう、ということです。



温度がかわらなくても固体から液体になるだけで
エネルギーが必要になるので、
そのぶん熱を吸収して、まわりは涼しくなるのです。

科学っぽくいえば
同じ温度でも氷よりも水のほうが
まわりから熱を吸収しているぶんエネルギーが高い

ということになります。
これを融解熱といいます。


3.はピンときにくいかもしれません。
塩が水に溶けるだけでエネルギーの状態がかわり
まわりから熱をうばいます。



なんでそうなのか説明しようとすると
電子やらイオンやらがごたごた出てくるので
これも結局「そういうもんなんだ、ハイホー」
となってしまうのですが、

少しだけ実生活で近い例をいいますと、
実際に塩や砂糖を溶かすときは
そのまま水に溶かすよりも
加熱してお湯にとかすほうが簡単です。


これはまわりから熱を与えるほうが溶けやすい
つまりものが溶けるには周囲の熱が必要ということで
塩が水にとけるとまわりの温度が下がるのも
これと同じような原理と考えられます。
これを溶解熱といいます。


最後の4.も理由を説明するのはむつかしいのですが
あんまり詳しく説明しようとしても
かえって分かりにくくなりそうですから

ここは簡単に、
塩が氷になるのを邪魔している
といった感じで覚えておくといいと思います。


さて、以上の4つの現象をふまえて
実際に氷に塩をかけたときの
温度変化について考えてみます。


ここからが本題!


先ほどのべたことをもう一度くりかえすと

1.氷は温度が0℃以上になると、溶けて水になる
2.溶けるときにはまわりから熱をうばう
3.水に塩がとけるときにもまわりから熱をうばう
4.塩を入れると温度が0℃でも凍らなくなる



たんに氷だけを常温の部屋に置いた場合、
このうちの1.と2.だけ作用します。


やがて氷はとけて水になり
そのぶん部屋の温度はちょっとだけ下がることでしょう。


では塩をかけるとどうなるか?


1.と2.は同様ですが、
さらに、とけでできた水に塩を溶けこみます。
(ややこしいなあ)

つまり、1.と2.に
3.水に塩がとけるときにもまわりから熱をうばう
がくわわって、

氷から水になるときだけでなく、
さらに塩が溶けるときにも
まわりから熱をうばわれていくので、
より温度が下がっていくことになります。



そしてこれだけだと、氷から溶けたばかりの水は0℃、
そこからまた冷やされるので
通常ならふたたび凍ることになりますが、

4.塩を入れると温度が0℃でも凍らなくなる

これがあるので
塩の溶けた水は氷にならず、
そのまま-1℃、-2℃……とどんどん下がっていきます。



これが、氷に塩を入れたときの
温度が下がる理由ということになります。



どこまで下がるかについては
入れる塩の量しだいで、
理論上は氷100グラムにたいして塩30グラム入れると
-21.2℃まで下がります。

(それ以上塩を入れても溶けきれないので一緒です)

そこまではむつかしくても
-10℃くらいまでは簡単に下がるでしょう。


なお、塩ではなく
路面凍結防止剤などに使われる塩化カルシウムだと、
氷100グラムにたいして144グラムまでとかせるので
理論上-54.9℃まで下がります。


まとめ


氷に塩を入れて温度を下げること自体は
かんたんにできて、小学校の実験でやるくらいですが、

この現象をちゃんと説明しようとすると
とたんに「凝固点降下」とか「モル濃度」といった
高校以上の知識が必要になるので、
子供に説明するのは意外とむつかしいものです。


まあみんながみんな理系になるわけではないので
完璧に説明する必要はないでしょうけれども、
子供(もしくはご自身の)好奇心にあわせて
くわしく教えてあげるといいと思います。


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