氷を早く溶かしたいとき、
塩をかけると早く溶ける
と聞いたことはありませんか？
でも、ここまでの実験では、
氷に塩を加えると0℃より低い温度になる
ことを調べてきました。
ここで、ちょっと不思議なことが起こります。
温度が低くなっているのに、どうして氷は早く溶けるのでしょうか？
普通なら、
「冷たいほど氷は溶けにくい」
と思いますよね。
今回は、
- 氷だけ
- 塩を加えた氷
を同じ条件で置いて、
- 時間ごとの氷の重さ
- 溶けてできた水の量
- 温度
を比べてみましょう。
- この自由研究は何日かかる？
- まず予想してみよう
- 用意するもの
- 今回変えるもの・そろえるもの
- 実験方法
- 残った氷の重さを比べよう
- 重さを量るときの注意
- 溶けた水の量でも比べられる
- 温度も一緒に測ってみよう
- 測定時間をそろえるならタイマー
- なぜ普通の氷は0℃付近で溶けるの？
- では、塩を入れると何が変わる？
- 氷の表面には少し水がある
- 低い温度なのに、どうして溶けるの？
- そして氷が溶けると温度が下がる
- 「冷える」と「溶ける」が同時に起きる
- No.80の実験とセットにするとわかりやすい
- No.81のアイス作りにもつながる
- 追加実験① 塩の量を変える
- 塩が多いほど氷は無限に早く溶ける？
- 追加実験② 粗塩と細かい塩では違う？
- 追加実験③ 氷の大きさを変える
- 追加実験④ 塩をかける場所を変える
- 追加実験⑤ 砂糖では氷の溶け方はどうなる？
- 道路の氷にも塩の仲間が使われる
- 冷凍庫の氷に塩をかけても溶ける？
- 室温を記録しておこう
- グラフにしてみよう
- 温度のグラフも並べると面白い
- 実験するときの注意
- 写真はどこを撮る？
- 何年生におすすめ？
- 自由研究のまとめ方
- 写真やグラフを印刷してまとめよう
- まとめ｜塩を入れると「氷が溶ける温度の条件」が変わる
- よくある質問
この自由研究は何日かかる？
- おすすめ学年：小学2～6年生
- 実験期間：1日
- 実験時間：30分～1時間程度
- 結果が出るまで：当日
- 材料のそろえやすさ：★★★★★
- 数字で比較しやすさ：★★★★★
氷・塩・容器があればでき、重さを量れば結果を数字でまとめやすい実験です。
まず予想してみよう
同じ大きさの氷を同じ場所へ置いた場合、
- 氷だけ
- 塩をかけた氷
では、どちらが先に小さくなると思いますか？
| 条件 | 予想 | 理由 |
|---|---|---|
| 氷だけ | ||
| 氷＋塩 |
さらに、
「温度はどちらの方が低くなると思う？」
も予想しておきましょう。
用意するもの
- 同じくらいの大きさの氷
- 食塩
- 同じ大きさの容器2個
- キッチンスケール
- デジタルキッチン温度計
- キッチンタイマー
- スプーン
- ざるなど水を切れるもの
- 記録用紙
- カメラやスマートフォン
塩入りの氷はかなり低温になることがあるため、長時間直接触らないようにしてください。
今回変えるもの・そろえるもの
| 項目 | どうする？ |
|---|---|
| 塩 | 入れる・入れないで変える |
| 氷の重さ | そろえる |
| 氷の大きさ | できるだけそろえる |
| 容器 | そろえる |
| 置く場所 | そろえる |
| 観察時間 | そろえる |
調べたいのは、
「塩を加えたことで氷の溶け方が変わるか」
です。
実験方法
例えば、氷100gずつを使います。
- 容器を2個用意して、A・Bと印をつけます。
- 同じくらいの大きさの氷をそれぞれ100gずつ入れます。
- Aはそのままにします。
- Bへ決めた量の塩を加えます。
- タイマーをスタートします。
- 5分ごとなど、決めた時間に氷の様子を観察します。
- 溶けた水を切り、残った氷の重さを量ります。
- 必要なら温度も測ります。
- 同じ操作を繰り返します。
残った氷の重さを比べよう
| 時間 | 氷だけ | 氷＋塩 |
|---|---|---|
| 開始時 | 100g | 100g |
| 5分後 | ||
| 10分後 | ||
| 15分後 | ||
| 20分後 | ||
| 30分後 |
氷＋塩の方が早く重さが減ったでしょうか。
重さを量るときの注意
氷の表面に水がたくさんついたまま量ると、実際に残っている氷の重さがわかりにくくなります。
毎回、
- 同じざるを使う
- 同じ時間だけ水を切る
- 同じ方法で量る
など、条件をそろえましょう。
家庭実験では多少の誤差が出ます。
その誤差も含めて結果を考えてみましょう。
溶けた水の量でも比べられる
残った氷ではなく、
何mlの水ができたか
を比べる方法もあります。
| 時間 | 氷だけ | 氷＋塩 |
|---|---|---|
| 5分後 | ||
| 10分後 | ||
| 20分後 |
ただし塩入りでは、水に塩が溶けているため、
液体の重さと純粋な「溶けた氷の量」が完全に同じではない
ことにも注意しましょう。
温度も一緒に測ってみよう
今回の一番面白いポイントは、
氷＋塩の方が低い温度なのに、氷が早く溶けることがある
ところです。
| 時間 | 氷だけの温度 | 氷＋塩の温度 |
|---|---|---|
| 開始時 | ||
| 5分後 | ||
| 10分後 | ||
| 20分後 |
測定時間をそろえるならタイマー
氷の溶け方は少しずつ変化します。
5分後・10分後・15分後のように同じ時間で比較するため、タイマーがあると便利です。
なぜ普通の氷は0℃付近で溶けるの？
通常の条件では、純粋な水は0℃付近で、
- 液体の水になる
- 氷になる
という変化が起こります。
氷の周りが0℃より高ければ、周囲から熱を受け取って氷が溶けていきます。
では、塩を入れると何が変わる？
塩が水に溶けると、
水が凍る温度が0℃より低くなります。
これを凝固点降下といいます。
つまり塩水では、
0℃でも「氷のままでいる温度」とは限らなくなる
のです。
氷の表面には少し水がある
氷の表面では、ごく少量の液体の水が存在しています。
そこへ塩が触れると、その水に塩が溶けて塩水になります。
塩水の凝固点は0℃より低いため、
その温度では周囲の氷が溶ける方向へ進みます。
低い温度なのに、どうして溶けるの？
ここが今回の核心です。
「氷は0℃より低ければ絶対に溶けない」
わけではありません。
大切なのは、
その液体が何℃で凍るのか
です。
塩水は0℃より低い温度になっても液体として存在できます。
だから、
純粋な水なら凍るような低温でも、塩水の中では氷が溶けることがある
のです。
そして氷が溶けると温度が下がる
氷を液体の水へ変えるにはエネルギーが必要です。
そのエネルギーを周囲から熱として受け取ります。
その結果、
氷が溶けるほど、周囲の熱が使われて温度が下がります。
つまり、
塩を入れる → 氷が溶ける → 周囲から熱を使う → さらに冷える
という変化が起こります。
「冷える」と「溶ける」が同時に起きる
ここが直感と違うところです。
私たちは普段、
- 温める → 氷が溶ける
- 冷やす → 氷が残る
と考えがちです。
しかし塩を加えると水の凝固点そのものが変わるため、
氷が溶けながら、全体の温度が下がる
という現象が起こります。
No.80の実験とセットにするとわかりやすい
No.80では、
「氷と水に塩を入れるとなぜもっと冷たくなる？」
を調べました。
今回のNo.82では、
「そのとき氷そのものには何が起こっている？」
に注目しています。
2つを組み合わせると、
- 温度は下がる
- でも氷は早く溶ける
という、一見矛盾しているような現象を説明できます。
No.81のアイス作りにもつながる
この性質は、アイスクリーム作りにも利用されています。
氷に塩を加えてわざと氷を溶かし、
そのとき周囲の熱を使わせることで、0℃より低い冷却環境を作る
わけです。
追加実験① 塩の量を変える
同じ重さの氷へ、
- 塩0g
- 塩5g
- 塩10g
- 塩20g
を加えます。
10分後に残った氷の重さを比べてみましょう。
| 塩の量 | 開始時の氷 | 10分後の氷 | 減った量 |
|---|---|---|---|
| 0g | 100g | ||
| 5g | 100g | ||
| 10g | 100g | ||
| 20g | 100g |
塩が多いほど氷は無限に早く溶ける？
そうとは限りません。
塩が水に溶ける量には限界があり、温度や氷との割合も関係します。
そのため、
塩の量と氷が溶ける速さがずっと比例するとは限りません。
実際に測って確かめてみましょう。
追加実験② 粗塩と細かい塩では違う？
同じ重さでも、
- 粒の細かい塩
- 粒の大きな塩
で比べる方法もあります。
粒の細かい塩は氷の表面へ広がりやすいため、最初の溶け方に違いが出るでしょうか。
追加実験③ 氷の大きさを変える
同じ重さの、
- 大きな氷
- 小さな氷
- 砕いた氷
へ同じ量の塩を加えます。
細かい氷ほど表面積が大きくなります。
塩と触れる面積が増えると、氷の溶け方も変わる？
を調べられます。
追加実験④ 塩をかける場所を変える
例えば、
- 氷全体へまんべんなく塩をかける
- 氷の一か所だけへ塩を置く
を比較します。
塩を置いた部分だけ、
穴のように溶けていく？
という見た目の観察もできます。
追加実験⑤ 砂糖では氷の溶け方はどうなる？
砂糖でも水の凝固点は下がります。
そこで、
- 何もかけない
- 塩
- 砂糖
を同じ重さずつ氷へかけてみましょう。
10分後の氷の重さを比較します。
塩と砂糖では結果が同じになるでしょうか。
道路の氷にも塩の仲間が使われる
冬の道路では、氷や雪を溶かしたり凍りにくくしたりするために、塩化物を使った凍結防止剤が利用されることがあります。
これも、
水の凝固点を下げる
という性質を利用しています。
つまり、台所の小さな実験が冬の道路の安全にもつながっています。
冷凍庫の氷に塩をかけても溶ける？
実験条件によって結果は変わりますが、塩が氷表面の水分に溶ければ、凝固点が下がります。
ただし周囲の温度が非常に低ければ、室温で行う場合とは溶け方も変わります。
周囲の温度も結果を左右する条件
であることがわかります。
室温を記録しておこう
夏の30℃近い部屋と冬の10℃程度の部屋では、氷が周囲から受け取る熱の量も変わります。
自由研究には、
実験した日の室温
も書いておくと、より丁寧です。
グラフにしてみよう
おすすめは、
- 横軸：時間
- 縦軸：残った氷の重さ
です。
そこへ、
- 氷だけ
- 氷＋塩
の2本の線を描きます。
どちらの氷が早いペースで減ったのか
が一目でわかります。
温度のグラフも並べると面白い
さらに、
- 時間と氷の重さ
- 時間と温度
の2つのグラフを作ります。
すると、
「温度は低いのに、氷の重さは早く減っている」
という今回の不思議を数字で見せることができます。
実験するときの注意
氷と塩を混ぜると非常に低い温度になることがあります。
- 長時間素手で触らない
- 氷を直接握らない
- スプーンなどを使う
- 必要ならタオルや手袋を使う
- 実験後の塩水は飲まない
ようにしましょう。
写真はどこを撮る？
- 同じ重さの氷
- 塩をかける前
- 塩をかけた直後
- 5分後
- 10分後
- 20分後
- 残った氷を量っているところ
- 氷だけと塩入りの最終比較
塩をかけた場所がへこんだり穴のようになったりした場合は、その部分のアップ写真もおすすめです。
何年生におすすめ？
小学1～2年生
同じ氷を2つ用意し、片方だけに塩をかけて見た目の変化を比べましょう。
小学3～4年生
5分ごとに氷の重さを測り、時間と重さのグラフを作る方法がおすすめです。
小学5～6年生
凝固点降下と融解熱について調べ、温度と氷の減少量を同時に記録すると本格的な研究になります。
自由研究のまとめ方
- 疑問：なぜ塩をかけると氷が早く溶ける？
- 予想：どちらが早く小さくなるか考える
- 準備：同じ重さの氷を用意する
- 実験：片方だけへ塩を加える
- 測定：時間ごとの氷の重さを量る
- 観察：形や溶けた水を見る
- 測温：温度も比べる
- 結果：折れ線グラフにする
- 調査：凝固点降下について調べる
- 考察：なぜ低温なのに早く溶けたのか説明する
写真やグラフを印刷してまとめよう
この自由研究では、
- 氷の大きさの変化
- 重さの変化
- 温度の変化
という3種類の結果を残せます。
写真と2つのグラフを組み合わせると、とてもわかりやすい自由研究になります。
写真やグラフを自宅で印刷する場合は、プリンターに対応する互換インクを比較してみるのもひとつの方法です。
▶ 自由研究の写真・グラフ印刷に使える互換インクをチェックする
まとめ｜塩を入れると「氷が溶ける温度の条件」が変わる
塩を氷へ加えると、氷の表面にある水分へ塩が溶けて塩水になります。
塩水は純粋な水よりも凍る温度が低いため、
0℃付近でも氷が溶ける方向へ進みます。
さらに氷が溶けるためには熱が必要なので、その熱を周囲から受け取ります。
その結果、
氷がどんどん溶けながら、混合物の温度は低くなる
という、一見不思議な現象が起こります。
つまり、
「冷たいほど氷は絶対に溶けない」のではなく、水の中に何が溶けているかによって凍る温度そのものが変わる
のです。
よくある質問
なぜ塩をかけると氷が早く溶けるの？
塩が水に溶けることで水の凝固点が下がり、0℃付近でも氷が溶ける方向へ進むためです。
温度が下がるのに、なぜ氷は溶けるの？
塩水は純粋な水より低い温度まで凍らずに存在できます。そのため0℃より低くても、条件によって氷が溶けることがあります。
塩をたくさんかければ、もっと早く溶ける？
必ずしも量に比例し続けるわけではありません。塩が溶ける量や温度、氷との割合なども関係するため、塩の量を変えて比較すると自由研究になります。
砂糖でも氷は早く溶けますか？
砂糖でも凝固点降下は起こります。ただし塩とは水に溶けたときの状態が異なるため、同じ量でも結果は同じとは限りません。
1日でできますか？
はい。30分程度でも氷の重さや見た目に違いが出やすいため、その日のうちにまとめられます。
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