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水100℃沸騰・0℃凍結

水100℃沸騰・0℃で凍結の嘘

誰でも知っている、ごく当たり前な事象。

水は100℃で沸騰する。水は0℃で凍る。

学校でも皆そう習うはずである。

至極当たり前すぎて、わざわざ言及する必要もないかと思われるが…。

男性
男性
コレはちょっと当たり前すぎ。

さて、学校の先生がそう言っていたからといって、それを盲目的に信じるのはいかがなものだろうか。

きよら
きよら
では沸騰と凍結、見ていこう。

沸点は変化する

水は100℃で沸騰し、0℃で凍結する。

これは、小学校の理科の授業で習うごく当たり前の知識だ、だが、この知識が必ずしも正しいかといえば、そうではないのである。

ここに一つの鍋に入った水を想像してほしい。

水面は静かで水は気化していないように見える。

女性
女性
だって沸騰してないもん。

しかし、放置していた水がいつの間にか少なくなっている現象などからも明らかなように、水は沸騰していない状態でも少しづつ気化している。

この際に気化するのは表面の水だけで、この現象を蒸発という。

蒸発で気化するのは表面の水分子だけで、水の表面を押している気圧(大気圧)に打ち勝つ力を得た水分子だけが、表面の外に出て気化することになる。

さて、温度が高くなると、多くの水分子が気化のためのエネルギーを得て表面から外に出ようとする。

しかし、表面からの蒸発では間に合わないため、水の中で気化が起こる。これが沸騰である。

この時、水全体が空気の表面を押す力(蒸気圧)が、水面にかかる気圧と釣り合う状態になる温度が100℃であり、そのために水は100℃で沸騰するとされているのである。

しかし、地球の気圧の条件は常に一定ではない。

例えば、山の上では、平地より気圧が低いため、蒸気圧と水面にかかる気圧は、もっと低い温度で釣り合う。

これ即ち、山の上でお湯を沸かしてみれば100℃以下で沸騰するのである。

逆に高気圧下では100℃に達しても沸騰しない事例もある。

圧力鍋や、車のエンジンを冷やすために使われる冷却水にその原理が利用されている。

100℃で沸騰するとなんらかの問題が発生する場合に、加圧され沸点を高められ利用されているのだ。

女性
女性
圧力鍋ってそういう事だったんだ。

過冷却の現象

水の温度が低くなって氷になる場合も、0℃で凍結すると一般的に考えられているが、これも必ずしもそうとは言えず、0℃以下でも液体として存在する場合がある。

水分子は、液体である時は激しく動き回っている。

しかし、温度を下げてやると、次第に動きを小さくし、分子同士の結びつきを強くして氷の結晶となる。これが凍結、即ち凝固である。

だが、分子同士が結びつき結晶となるためには、衝撃などの何らかのきっかけでや塩素やチリのような不純物といった、結晶の核となるものが必要不可欠である。

不純物が極端に少ない水、例えば水蒸気からできた水などが、衝撃を与えられず、ゆっくりと冷却された時どうなるのか。

その水は0℃を下回っても液体の状態を保っており、この現象は過冷却と呼ばれている。

この水は、わずかな刺激により即座に凍ってしまう状態の水で、寒い地方で見られる樹氷は、この状態の水が木の枝に当たり、即座に氷となってできるものである。

これまで水が凍る最低温度は-41℃と考えられてきたが、最近の研究では、更に低い温度で凍ることが分かっている。

2011年、アメリカにあるユタ大学の化学研究者、バレリア・モリネロ教授とエミリー・ムーア教授は、過冷却水の動きを、コンピューターにより顕微鏡レベルで測定した。

その結果、水の凍る最低温度は-48℃であると、科学雑誌『ネイチャー』に発表した。

そもそもこの『℃』(セルシウス温度)の単位は、1742年、スウェーデンの天文学者、セルシウスが発表したものである。

1気圧下における水の沸点と凝固点をそれぞれ0℃、100℃とし、その間を100等分することで作られたものであった。

セルシウスの死後、1744年にそれらは逆にされてしまったが、今より正確な計測ができない時代に、便宜的に作られたものであることは言うまでもない。

今回は特殊な条件下での沸点と凝固点について述べてきた。

しかし、通常の条件下でも『100℃で沸騰、0℃で凍結』とういうのは、厳密に言えば間違っている。

世界共通の単位系で、多くの国で使用することが義務付けられている国際単位系における『国際温度目盛り』の中では、沸点は99.9743℃凝固点は0.002519℃と定められている

いずれの場合にせよ、『水は100℃で沸騰、0℃で凍結』はであることに間違いはなさそうである。

温め過ぎた飲み物…爆発

温め過ぎた飲み物が爆発するという過熱と突沸。

過冷却と同じ仕組みで過熱という現象もある。

温度が上がっても、液体中の水分子が気化するにはきっかけが必要で、それを与えずゆっくり加熱すれば100℃を越えても沸騰しない。

この状態に衝撃を与えてやると一気に沸騰し、液体が飛び出る突沸という現象が起きる。

日常で電子レンジで飲み物を温め過ぎた時などに起こりやすい現象である。

きよら
きよら
くれぐれもご注意を…。