水は条件によって、通常の凝固点より低い温度でも液体のまま保たれることがあります。これを過冷却と呼びます。したがって、温度計がマイナスを示したという情報だけで、中身がすべて氷になったとは判断できません。温度の記録と、液体・固体の観察を組み合わせます。
普通の圧力で純粋な水の凝固点を約0℃と扱うことと、過冷却が起こることは矛盾しません。結晶ができ始めるきっかけが生じにくい条件では、液体の状態が続く場合がある、という話です。食塩を溶かして凝固点が下がった水とは区別します。
温度の数字だけで、状態を決めない
冷やした試料の温度が0℃を通り過ぎ、さらに下がってから氷ができ始める記録を考えます。氷ができるときには熱が放出されるため、試料の温度が凝固点付近へ戻ることがあります。冷やしているのに一時的に温度が上がる部分があっても、必ず温度計の故障とは言えません。
ここで放出される熱は、外から突然加熱した熱とは限りません。液体から固体へ変化する過程に関わる熱です。状態変化と温度変化が重なっているので、温度が上昇したという結果だけで「氷がとけた」と結論しないようにします。状態を見た記録が重要になる場面です。
全部が一瞬で固体になるとは限らない
凍り始めるきっかけが生じて氷が広がっても、その時点で試料全部が固まったとは限りません。氷と水が共存する状態になり、その後さらに熱を取り去って凍結が進む場合があります。「凍り始めた時刻」と「すべて凍った時刻」を同じにしないでください。
グラフの横ばいだけを見て、物質の量が変わっていないと判断するのも不適切です。温度がほぼ一定の間にも、液体と固体の割合が変わり得ます。写真や観察メモが一緒に示されていたら、同じ時刻の点へ対応させて読みます。
例題1：冷却中の温度上昇を読む
架空の観察では、純粋な水を冷やすと温度が−3℃まで下がり、その間は液体でした。その後に氷ができ始め、温度は0℃付近へ上がりました。外から加熱はしていません。−3℃の時点の状態と、その後の上昇の説明を答えます。
答え・解説： −3℃では過冷却された液体です。その後は凝固に伴って熱が放出され、温度が上がったと説明できます。マイナスだから最初から全部氷だった、あるいは上昇したから氷がとけた、とは読みません。
−3℃は例題の設定で、すべての水がこの温度まで過冷却するという値ではありません。容器の状態や混入物、冷やし方などによって、結晶が生じる条件は変わります。冷却グラフの細部を別の実験へそのまま当てはめないようにしましょう。
例題2：同じ温度でも中身は同じか
同じ圧力で、Aは純粋な水が−2℃でも液体のまま、Bは食塩水が−2℃で液体のままだったとします。この観察だけで、AとBの凝固点が同じだと言えますか。また、Bも必ず過冷却だと言えますか。
答え・解説： どちらも言えません。Aは純水の通常の凝固点を下回る液体ですが、Bでは食塩が溶けたことによる凝固点の低下を考える必要があります。Bの濃度と、その条件での凝固点を確かめないと、過冷却かどうかは決まりません。
「液体である温度」と「凝固点」は同じ言葉ではありません。AとBが同じ−2℃にあることは温度の一致であり、成分や状態変化の条件の一致ではないのです。物質名と濃度を表の左側に残しておくと、温度だけを切り取る間違いを防げます。
温度計が測っている場所も確かめる
試料の中央と容器の近くで、温度が完全に一様とは限りません。冷却装置の温度を測ったのか、試料へ温度計を入れたのかでも意味が違います。「冷凍庫が−何℃だから水も同じ温度」と、時刻や場所を無視して置き換えないようにします。
本稿は観察資料の読み取りです。密閉容器を凍らせたり、急な温度差を与えて容器を破損させたりする実験手順は扱いません。実験する場合は学校などの管理された教材・手順で、容器や温度計の条件を確認します。
氷がとける間の温度と氷と食塩による冷却を合わせて、温度・状態・成分という三つの情報を分けましょう。
冷却を繰り返した二回の記録で、凍り始める時刻がずれても、それだけで物質が別のものになったとは言えません。結晶化が始まるきっかけには、表面や混入した粒などの条件が関わるためです。一方、温度計の目盛りが毎回ずれている可能性まで、この現象だけで否定することもできません。観察記録の説明では、過冷却という候補を知ることと、測定器の確認を省くことを別にします。液体だったことをどう観察したか、氷が現れた時刻を何で判断したか、温度はどの間隔で読んだかを残せば、グラフの急な上昇と状態変化が対応しているかを検討できます。滑らかな線を引く前に、実際に測った点と観察メモを結び付けるのが順序です。