溶液の性質(知識)の問題
純粋な水を入れた試験管を寒剤(氷と食塩を混ぜたもの)に入れ、かき混ぜながらゆっくり冷やし、一定時間ごとに温度を測って冷却曲線をつくった。すると、温度が水の凝固点である より低くなっても、しばらくの間は固体が現れず液体のままであった。その後、急に凝固が始まると温度が まで上がり、水と氷が共存している間は温度が一定に保たれた。
この実験で見られたように、液体が凝固点より低い温度になっても凝固せず、液体の状態を保っている現象を何というか。漢字で答えよ。
この問題で使うもの
- 凝固点降下と冷却曲線・過冷却(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(29 技能)
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
「冷却曲線と過冷却」の知識を使います。冷却曲線で温度が凝固点より一時的に下がる部分に注目しましょう。
ヒント 2
この現象は、溶質を溶かしていない純粋な水でも起こります。溶液の凝固点が下がる「凝固点降下」とは別のものです。
ヒント 3
凝固点より温度が下がりすぎて(「冷えすぎて」)いるのに液体のままである、という状態を表す 3 文字の用語を考えましょう。
答えと解説
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過冷却
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解説を読む
使う知識は「冷却曲線と過冷却」です。
1. 液体を冷やしていくと、ふつうは凝固点で固体ができ始める。しかし、ゆっくり冷やすと、凝固のきっかけ(結晶の核)ができにくいため、凝固点より低い温度になっても液体のままでいることがある。この現象を過冷却という。
2. 過冷却の状態は不安定なので、やがて急に凝固が始まる。凝固では熱(凝固熱)が放出されるため、温度は凝固点まで上がる。
3. その後、純粋な水では液体と固体が共存している間、放出される凝固熱と寒剤に奪われる熱がつり合い、温度は凝固点()で一定になる。
なお、似た用語との違いは次のとおりである。
- 凝固点降下: 溶媒に不揮発性の溶質を溶かした溶液の凝固点が、純溶媒の凝固点より低くなる現象。純粋な水の冷却曲線で一時的に を下回るのは溶質のためではないので、凝固点降下ではない。
- 凝固: 液体が固体になる状態変化そのものの名前。
よって、答えは 過冷却 である。
別解
液体が凝固点より低い温度になっても凝固せず液体の状態を保つ現象は、過冷却である。その後、凝固が始まると凝固熱が放出されて温度が凝固点まで上がる。