過冷却水の原理や仕組み!簡単な作り方や実験のコツも【自由研究】

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自由研究でちょっと珍しい実験をしてみたい。実験のやりがいがあると嬉しい。
そんな思いがある学生も多いでしょう。

そこでオススメなのが過冷却水をテーマにした実験です。過冷却水は『水は0℃になると凍る』という常識をくつがえす存在です。

今回の記事では、そんな過冷却水の原理や仕組み、簡単な作り方や実験方法をご紹介していこうと思います。

過冷却水の原理や仕組み!簡単な作り方や実験のコツも【自由研究】

過冷却水の実験をするまえに、そもそも「過冷却」とはどのようなものなのかをお話していきましょう。

過冷却とは、簡単にいうと水が氷るはずの0℃(凝固点)以下であっても、氷にならずに液体のままである現象のことです。

これは、水だけでなく、さまざまな液体にも当てはまることです。

過冷却水は、振動などの刺激を与えると急速に凍ります。とくべつな装置を用意しなくても過冷却の実験ができるので、夏休みの自由研究などにも人気となっています。

過冷却の原理

そもそもなぜ、過冷却という現象が起こるのでしょうか?

水は0℃になると氷になりますよね。
ですが上でも書いた通り、水の温度が-5℃ぐらいになっても凍らない場合があります。

これが過冷却状態です。

少し難しい話になるので、簡単にまとめますが、水の分子は液体の状態では自由に動き回ります。
ですが、氷の状態では決まった位置を動かずに結晶となるんです。

水が氷になるためには、この水の分子が動き回っている状態から動かない状態になる』必要があります。

そして、この分子を動かない状態にするためには、物理的な刺激によって生まれる『』が必要になります。

刺激がないとこの核が生まれないため、ゆっくりと均一に冷やされることで、条件によっては-10℃以下でも凍らないことがあるのです。

何とも不思議な現象ですね。

過冷却水の作り方

まずは、実験につかう過冷却水を作っていきましょう。

準備するもの:

  • 冷凍庫
  • 空の500mlのペットボトル
  • 水(できれば精製水)
  • 温度計

作り方:

  1. 通常の冷蔵庫の冷凍室は-18℃になっています。
    これを-5℃ぐらいに選択できればおこないましょう。
    温度設定を弱にしたり、冷凍庫のチルドルームでも試してみましょう。
  2. 500mlのペットボトルに精製水を4分の3ほど入れます。
    キャップをしめて、冷凍庫に入れます。
    均一にじっくりと冷えるようにタオルなどでくるみましょう。
    保冷効果のあるペットボトルホルダーでも試してみましょう。
    うまくいけば、4,5時間で過冷却水ができあがります。
  3. コップやお皿に注いでみます。
    この時使うコップやお皿も冷しておきましょう。
    キャップを開ける時の振動で一気に凍ってしまうことがあるので注意しましょう。

これで実験が終了です。

何時間凍らせたらできたか、何時間凍らせたらダメだったか、その違いなどをしっかりと観察しましょう。

実験の条件を整えるために冷凍庫に入れる水は、冷蔵庫で一定の温度に冷しておきましょう。

他にも、水以外に蒸留水や水道水、ポカリスエット、コーラ、お茶などさまざまな液体についても調べてみると、実験の幅が広がります。

過冷却水の実験のポイントは?

では、この過冷却水の実験をする際には、どのようなことに気を付ければいいのでしょうか?

ポイント1.

-5℃程度でゆっくりと均一に冷せる冷凍庫であること。
水が冷凍庫の中で凍ってしまう場合には、ゆっくりと時間をかけてみず全体の温度が均一に下がるようにしましょう。

ポイント2.

冷凍庫の性能に違いがあるので、冷凍庫の温度を温度計で確かめて、冷す時間を変えるなどして、何度か試してみましょう。

ポイント3.

ペットボトルの周囲に断熱材を巻いてゆっくりと冷してみましょう。空気断熱を利用した道具などを使うと失敗しにくくなります。

ポイント4.

水に含まれる不純物がきっかけとなって凍る場合もあります。水道水で出来ない場合には精製水に変えてみましょう。

ポイント5.

冷凍庫が冷えすぎる場合には、ゆっくりと冷すための道具を考えてみましょう。

過冷却水の実験でよくある失敗は?

せっかく自由研究で過冷却水をつくろうと思って挑戦してもなかなかうまくできない。
そんな失敗を繰り返してしまうこともあります。

ただ、失敗をすることが実験の結果を招きますので、諦めずに何度か条件などを変えて試してみましょう。
失敗が多いほど、レポートにかけることも増えるのです。

では、過冷却水の実験でよくある失敗をご紹介しましょう。

何度も挑戦してみてもできないことの原因に

家族の誰かが冷凍庫を開けてしまっている事

があります。
夏ですから冷たいものが食べたかったりして、冷凍庫を開ける機会も増えますよね。
ただし実験中は、家族にも伝えて協力してもらいましょう。

できれば、冷蔵庫も開閉しない方がよいでしょう。
どうしても開けなくては行けない場合には、できるだけ振動を与えないようにそっと開けるようにしましょう。

実験の失敗は振動によって凍り始めてしまうことが多いようです。

まとめ

いかがでしたか?

今回は、自由研究に人気の過冷却水の実験について、ご紹介してまいりました。過冷却水といえば、最近人気でテレビなどでも紹介されているのを見かけますね。

実はこれを自分で作ることができるのです。もちろん、自宅にあるもので作れますのでぜひ、挑戦してみてください。

また、ご紹介したように水以外にもさまざまな液体を使って過冷却水の実験をしてみてもよいでしょう。それぞれの液体によってできるまでの時間が違うのか、どんな液体でも過冷却水ができるのか、など視点を変えて実験することで、より厚みのあるレポートが書けるでしょう。

今回ご紹介したように、過冷却水を作ること自体に特別な装置などはいりません。だれでも楽しく実験できるので、ぜひ試して、たのしい自由研究としましょう。

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1 個のコメント

  • 過冷却の実験をすることは楽しいと思いますが、炭酸飲料を過冷却することはやめましょう。
    凍った状態では、二酸化炭素と水分が分離するため、何も考えずにペットボトルを過冷却すると爆弾となりえます。

    未開封の新品の場合、ペットボトル内部では皮膚なんて簡単に貫通するほどの圧力がかかりますので、開けようとした瞬間に爆発します。(ギリギリ保っているだけなので、何かの拍子に爆発するかもしれません。)

    そのあたり、注意喚起するべきではないでしょうか?

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