水は0℃で凍る、と習います。それでは、水に食塩を溶かしても、同じ温度で凍り始めるのでしょうか。「水が入っているから同じ」と答える前に、純粋な水なのか、水溶液なのかを確かめてください。通常の大気圧では、食塩水が凍り始める温度は、純粋な水より低くなります。
ここで注意したいのは、凍り始めることと、全部が凍ることを区別する点です。表面に少し氷ができた状態には、まだ液体が残っています。その液体の濃さが初めと同じとは限りません。冷やしている途中で、何が氷へ移り、何が液に残るかを追いかけましょう。
温度を一つ書けば、すべて説明できるわけではない
純粋な水と食塩水を比較するなら、同じ圧力で考えます。また、凍り始める温度は食塩の濃さによって変わります。どんな食塩水でも同じ温度、食塩を少し入れれば絶対に凍らない、というものではありません。
実験では過冷却が起こり、凍り始める前に温度がいったん下がることもあります。そのため、温度計の最低値を見つけたら、それを無条件に凝固点と呼べばよいわけではありません。どこで氷ができ始めたか、問題が過冷却を無視しているか、グラフの説明まで確認する必要があります。
水が氷になると、残る液はどう変わる？
食塩水を凍らせるとき、できる氷の結晶には食塩が入りにくく、残る液が濃くなります。学校の計算問題では、分け取った氷を純粋な水とみなし、食塩はすべて液側に残るという条件を置くことがあります。この条件なら、食塩の重さを変えずに、水溶液の重さを小さくして計算できます。
ただし、実際に取り出した氷に液が付いていたり、濃い液が閉じ込められたりすれば、完全に食塩を含まないとは言えません。計算上の模型と、実物の分離の精度を分けます。海水を凍らせた氷だから、何の確認もなく飲めるという話にも広げません。
一定温度の水平線を、食塩水へそのまま写さない
純粋な水が凍るときの温度変化を知っていても、そのグラフを水溶液へ丸ごと当てはめることはできません。液の濃さが変われば、凍る条件も変化します。物質の状態が変わっている途中だから、どんな場合も温度がずっと一定、とは限らないのです。
問題のグラフを読んだら、試料の名前を先に書き込みます。水、食塩水、ほかの水溶液は別の条件です。また、冷凍庫の設定温度と、容器の中の液の温度も同じ時刻に必ず一致するわけではありません。外の温度を変えた時点と、中身がその温度になった時点を混同しないようにします。
例題1｜凍り始める前に、温度が違う？
普通の大気圧で、純粋な水Aと食塩水Bを冷やします。過冷却は考えないものとします。AとBの凍り始める温度は同じですか。また、「Bは0℃で凍り始めないので、どこまで冷やしても凍らない」という説明は正しいでしょうか。
答え・解説： 同じではなく、Bのほうが低い温度で凍り始めます。しかし、0℃で凍り始めないことから、永久に凍らないとは言えません。何℃になるかは濃さなどの条件によります。「同じ温度で変化しない」と「変化そのものが起こらない」を区別してください。
例題2｜氷を取り除いたあとの濃度
5％の食塩水200gから、純粋な水とみなせる氷を40g取り除きました。食塩はすべて液体側に残り、蒸発やこぼれはないものとします。残った液体の食塩水の濃さは何％ですか。
答え・解説： 初めの食塩は200×0.05＝10gです。氷に食塩は移らない設定なので、この10gは変わりません。残る食塩水は200−40＝160g。したがって10÷160×100＝6.25％です。分母は残った水だけの重さではなく、食塩を含む液全体の重さです。初めと同じ5％のままではありません。
重さの表を作ると、凍る話が計算につながる
例題2を「食塩」「水」「全体」の三つの欄で書くと、初めは10g、190g、200g。分離後の液は10g、150g、160gです。固体になった40gは消えたのではなく、氷として別の場所へ移っただけです。氷と液を合わせれば、全体の200gは保たれています。
温度の問題に濃度が入ると、単元が変わったように感じるかもしれません。しかし、物の移り先を追えばつながります。温度は状態変化の条件、重さは物質の行方、濃さは残った液の割合。それぞれの数字の役割を分けておくと、見たことのない冷却実験でも整理しやすくなります。
もう一つ、氷を取り出さず容器内に残した場合も考えます。液だけの濃度は変わっても、氷を含めた容器全体の食塩の割合は、外への出入りがなければ変わりません。「残った液」と「氷も合わせた全体」のどちらを聞かれたかで、分母が変わるのです。同じ実験でも、計算する範囲を囲み直す必要があります。