一般的に、氷は室温約20℃でゆっくりと溶けていきます。しかし、氷に塩を振りかけると、溶解が早くなります。
さらに、氷が溶ける際に生じる水の温度は通常0℃前後ですが、塩を加えるとこの温度がさらに下がる現象が確認されています。
この記事では、塩が氷に及ぼすこれらの効果と、その背後にある科学的な原理について解説します。
塩を氷に加えるとなぜ溶けやすくなるのか
通常、冷凍室で作られた氷は室温に置かれると徐々に溶けます。しかし、氷に塩を振りかけると、溶ける速度が速くなる現象が起こります。これは、塩が氷の融点を下げるためです。
氷が液体に変わる温度を融点と呼び、逆に液体が固体になる温度を凝固点と呼びます。純粋な水の場合、これらの温度は0℃です。
水に塩などの固体を溶かすと、その凝固点や融点は下がります。これを凝固点降下と言います。塩の濃度が高いほど、凝固点や融点の低下は大きくなります。例えば、氷と塩を質量比で3:1の割合で混ぜると、融点は約-21℃まで下がります。
結果として、氷の表面で塩が水に溶けると、その融点は純水の0℃よりも低くなり、氷はより早く溶けるようになります。
凝固点降下のメカニズム
凝固点降下の原理を理解するためには、純粋な氷と水の混在状態を考えると良いです。この状態では、0℃で氷が水に変わる分子の数と、水が氷に変わる分子の数が均衡しています。このため、融解速度と凝固速度は同じになります。
この均衡状態に塩を加えると、塩が含まれる液体の中で水分子の割合が減ります。その結果、液体から固体へ変化する水分子の数が減少します。塩は凝固しないため、液体側では塩の存在により凝固速度が遅くなり、融解が優勢になります。これにより、融解熱が発生し、周囲の温度が下がるのです。
融解速度は温度が高いほど大きくなり、逆に温度が下がると小さくなります。したがって、温度が下がると融解速度も低下し、再び凝固速度と融解速度が均衡する点に達します。この新しい均衡点が、凝固点降下の状態となります。
塩を加えた氷の温度低下の理由
氷に塩をかけると温度が下がる現象は、氷の融解過程と塩の溶解過程に関連しています。
溶解熱
塩が水に溶解する際には、溶解熱と呼ばれる熱が吸収されます。これは、塩の固体粒子が水に溶け込む際に、その過程で周囲の熱エネルギーを吸収することを意味します。塩の溶解はエネルギーを必要とするため、この過程で周囲から熱が奪われ、結果として温度が下がります。
融解熱
一方、氷が水に変化する融解過程も、熱エネルギーを吸収する過程です。氷が液体の水に変わる際には、この融解に必要な熱エネルギーが周囲から吸収されます。
これらの両過程によって、氷に塩を加えると、溶解熱と融解熱が周囲から熱を吸収し、氷と水の混合物の温度が低下することになります。つまり、氷が溶ける過程と塩が水に溶ける過程で必要とされる熱が、周囲の熱を吸収するため、温度が下がるのです。
塩を氷に加えると温度が下がる理由：溶解熱の効果
氷に塩を振りかけると、氷が溶けてできた水に塩が溶け、この過程で周囲から熱が吸収され、温度が下がります。この現象は、塩の溶解過程に関連しています。
塩、特に食塩（ナトリウム塩化物）は、ナトリウムイオン（Na+）と塩素イオン（Cl-）から成る結晶構造を持ちます。水に塩が溶けるとき、水分子同士の結合が壊れ、ナトリウムイオンと塩素イオンが水分子の間に入り込みます。
水と塩が分離している状態は、塩が水に溶けた状態に比べてエネルギー的により安定しています。そのため、塩が水に溶けるためには、イオンが水分子に入り込むのに必要なエネルギーを外部から取り込む必要があり、これが周囲からの熱の吸収につながります。
このとき吸収される熱を「溶解熱」と呼び、一般的には1グラムあたりのジュール（J/g）で表されます。1ジュールは約0.24カロリーに相当します。食塩が水に溶ける際の溶解熱は、およそ1グラムあたり66.4ジュール（約15.9カロリー）です。
この溶解熱の効果により、氷と塩の混合物の温度は著しく下がり、周囲よりも冷たくなります。
融解熱の効果による温度低下
氷が水に変わる際、融解熱として熱エネルギーを吸収します。具体的には、氷1グラムが溶けるためにはおよそ334ジュール（約80.2カロリー）のエネルギーが必要です。このエネルギーは周囲の熱を取り込むことによって得られ、その結果、周囲の温度が下がり
ます。
氷に塩を加えると、その融点が下がり、氷はより容易に溶けるようになります。氷が溶けると同時に、塩も溶けるようになります。塩が水に溶ける過程では、さらに熱が吸収されるため、周囲の温度はさらに低下します。これは塩の溶解熱によるものです。
つまり、氷が溶けることによる融解熱と、塩が溶けることによる溶解熱が共に働くことで、氷と塩の混合物の温度は大幅に低下します。これらの熱エネルギーの吸収が、周囲から熱を奪い、温度を下げる原因となるのです。
日常で役立つこの原理
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。
「氷と塩」を使った手作りアイスクリームの作り方
氷に塩を加えると温度が下がり、氷が早く溶ける特性は、日常生活でのアイスクリーム作りに応用されます。
準備するもの:
- 砕いた氷1kg（冷凍庫で作った氷でも使用可能）
- 塩330g
アイスクリームの材料（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
作り方:
- 大きなボウルに砕いた氷と塩を入れて混ぜる。これにより、約-5℃以下の低温状態が作り出されます。
- アルミ製のボウルにアイスクリームの材料を入れ、氷と塩の混合物の上に置きます。
- 材料をかき混ぜながら泡立てます。混ぜることで、ボウルの底部からアイスクリームが徐々に固まり始めます。
- 約10分間混ぜ続けると、おいしいアイスクリームが完成します。
この方法は、氷と塩の混合物が周囲の温度より低くなる性質を利用しており、自宅で簡単にアイスクリームを作る際に便利です。
融雪剤（凍結防止剤）として使用
冬季に道路上の雪が積もると、滑りやすくなり交通事故のリスクが高まります。これを防ぐために、融雪剤として道路に塩が散布されることがあります。
塩は氷（雪）の融点を下げるため、積もった雪を効果的に溶かすのに役立ちます。塩以外にも、塩化カルシウム（CaCl2）などの化学物質も融雪剤として使用されます。これらの融雪剤は、降雪や低温時に道路の凍結を防ぎ、安全な交通環境を維持するのに重要な役割を果たしています。
まとめ
氷に塩を加えると、温度が下がる現象が起きます。これは、塩が氷の融点を下げる効果と、溶解熱及び融解熱の影響によるものです。
- 融点の低下: 氷に塩を加えると、氷の融点が下がり、氷がより低い温度でも溶けやすくなります。
- 溶解熱: 塩が水に溶ける際には、溶解熱が発生します。この過程で周囲から熱を吸収し、温度が下がります。塩（ナトリウム塩化物）が水に溶ける時の溶解熱は、約66.4ジュール（約15.9カロリー）/グラムです。
- 融解熱: 氷が水に変わる際にも熱を吸収し、氷1グラムあたり約334ジュール（約80.2カロリー）の融解熱が必要です。
この二つの熱エネルギーの吸収により、氷と塩の混合物の温度は大幅に低下します。この原理は、日常生活での手作りアイスクリームの製造や、冬季の道路の融雪剤（凍結防止剤）としても利用されています。
