水が凍る時

質問

水が凍る時、なぜ発熱が起こるのですか？

回答No.4

DexMachina · ベストアンサー

横レス失礼します。

> (1)なぜ過冷却状態が起こるのか

「過冷却の液体」とは、「熱振動的には融点以下だが、結晶となるには配列の規則性が不充分な状態」です。

例え熱振動が小さくなっても、例えば2つの水分子の、水素原子同士、酸素原子(の非共有電子対)同士が隣り合った状態では、電気的に反発するため、固体にはなりません。
水をゆっくり冷却した場合は、お互いに引き合う酸素と水素が隣り合った状態が安定なため、冷却の最中に配列が徐々に揃っていくので、融点(凝固点)にまで下がると固化していきます。
ところが、急激に冷却した場合はその整理が間に合わないため、「熱振動的には融点以下
だが、結晶となるには配列の規則性が不充分な状態」である「過冷却」となります。
この状態でも、絶対零度でない限りは熱振動があるので、配列の変化は徐々に起こります。で、配列が揃った分子の集団ができると、固化が始まるわけです。

> (2)一旦－4℃のエネルギー状態になっていた水がどうして氷になった時0℃になるのか・・・

液体の水の場合、水分子は熱振動をすると同時に、回転もしています。
ところが、凝固が始まってその水分子の配列が決まり出すと、回転はできなくなります。

回転している分子はそれに見合った回転の運動エネルギーを持っていますので、これが熱振動に変化します。
そのため、水の中で水分子の配列固定が始まると、発熱が始まるのです。
で、例えば-4℃でこの配列固定が始まると、一気に熱が放出されます。ですが、これで融点より少しでも上にいけば、配列の固定化は熱運動によって再び妨げられるようになります。

一方、周りからの冷却は続いているので、融点を下回ればまた配列固定と発熱が起きます。
この繰り返しによって、過冷却の水が氷になり始めると、0℃付近で温度が一定になります。

お礼

ありがとうございました！疑問が晴れた思いです。水分子が回転するって…なぜ？っていう新たな疑問もまた生まれたりしてきますが、取りあえず
当初の疑問が大変クリアーな状態で解決できました。

回答No.3

ssk0723

まず過冷却が起こるのは、http://www.mech.titech.ac.jp/~netsus/reserch2001.html
です。ようは、水は冷やすだけでは氷にはならないということですね。きっかけがいるんですね。これは沸騰のときにも言えます。100度超えても沸騰せずに、突然爆発するように突沸します。だから実験では沸騰石を入れますよね。

次に、-４度から０度になったのは、－４度で水が氷になり始めると、＃２さんのように余分なエネルギーが出てきます。それがまだ凍っていない水分子に移って、温度が上がります。（温度とは分子振動ですから、結局振動エネルギーが増えます。）

お礼

ありがとうございました。

回答No.2

goobest_2004

熱ってのは熱振動ですよね。

氷が水になるとき、水分子同士の結合が緩んで動けるようになります。これはつまり、熱振動が増した状態。

つまり、水になるときには、それだけ熱を必要とし吸収します。
逆に氷が水になるときは、熱振動が必要なくなり、しかっり結合して安定な状態になるため、振動も減り、余分な熱は放出されます。

これは、水と水蒸気でも同じ。
水分子同士がある程度引き合っている水の状態から、気体になると、一気に水分子同士が離れます。
四方八方に分子運動をしますが、それだけ熱振動を得ているため、蒸発するときは大量の熱を吸収し、夏場などは気化熱の効果で涼しくなりますよね。
逆に水蒸気から水になるときは、熱を放出します。

以上が、イメージしやすい、原理ですかね。

お礼

ありがとうございます。

補足

実は、この質問をするに至った原因は、過冷却実験にあるのです。
過冷却実験をしていて、－3℃で水が凍った時、水の中に入れっぱなしにしていた温度計が、突然一気に0℃まで上がったのです。
そもそも、
(1)なぜ過冷却状態が起こるのか
また、
(2)一旦－4℃のエネルギー状態になっていた水がどうして氷になった時0℃になるのか・・・
という疑問が、初めの「なぜ、水が凍る時に発熱が起こるのか？」という質問に集約されてしまったのです。
上記の(1)、(2)の疑問にも回答をいただけると、とてもうれしいです。

回答No.1

louiscyphre

どの程度の回答をすればいいか分かりませんが
簡単に言ってしまうと
液体から固体の変化には物質自体から熱が放出されます。
まわりから見ると発熱してるようになる。
氷から水になるときは熱を吸収して溶けるでしょ？
その逆ってことです。

お礼

ありがとうございます。