砂糖水を凍らせた時の濃度・密度

質問

子供の中学校の理科の問題です。
砂糖水を凍らせた時、溶液の濃度はどうなりますか？
また溶液の密度はどうなりますか？という問題です。
ヒントに溶媒は凍るが、溶質は凍らないと書いてあります。
答えは濃度も密度も増えるだとは思うのですが、中学生にわかりやすく説明することが出来ません。どうぞよろしくお願いいたします。

回答No.1

noname#160321 · ベストアンサー

>溶媒は凍るが、溶質は凍らない
この通りですね。水溶液の溶媒つまり水は凍ります。
その時砂糖は氷の結晶格子に取り込まれずに、純水の氷が出来ます。
そしておっしゃるとおり「残りの溶液」は「濃くなります」。
残りの溶液の密度も高くなります。
ベンゼンにナフタレンなどを溶かすと「凝固点降下」を生じつつ全体が凍りますが、水と砂糖では性質が違いすぎるので、氷(水)の結晶格子に砂糖はほとんど入りません。だからアイスキャンデーはかなり温度を下げるだけでなく急いで凍らせなくてはなりません。
アイスクリームなどは初めから混ざり合わないものを混ぜるのですから急冷しつつ撹拌しなくてはなりません。
それでもドライアイス温度で長いこと(1年ぐらい)放っておくと、純粋な氷と油脂・糖類に分かれてしまいます。愉快です。^o^

お礼

さっそくお返事いただきありがとうございました。
やはり水だけが凍るのですね。納得しました。
ありがとうございました。

回答No.3

poiu6587

中学生レベルであれば北極海の氷山は海に浮かんでおり塩分は少ない（比重が軽い）。また海水は南洋の海水より塩分は濃く比重が重いため寒流として南下し暖流とぶつかると海底方向にもぐりこむことは知っていると思います。塩分と砂糖は溶質として同様の働きをします（常温固体で水溶性、融点効果係数には差がありますが挙動は同一と見なせる）。そこで「もしも海水が砂糖水だったらどうなるかな考えてみよう」と言って考えさせると納得しやすいと思いますが、どうでしょうか。

お礼

なるほど、北極の氷ですか。イメージがわかりやすいですね、ありがとうございました。

回答No.2

adana108

塩や砂糖など水に何かを溶かした場合、その溶液は凍りにくくなります。（より濃度が高いほど凍りにくい）
一般的に物を凍らす場合は熱の奪われる表面からだんだん凍っていきますよね？
砂糖などを溶かした溶液を冷蔵庫などで普通に凍らした場合、表面から凍っていくのですが、
その時に表面の溶液は中に溶けている物(砂糖など)を溶液中から追い出し、より純水に近づくことにより早く凍ろうとします。
すると表面から凍り始めた溶液から追い出された溶質がまだ凍っていない溶液に押しつけられる・・・それが繰り返されます。
すると早く凍ったところ(表面に近い)ほど濃度が薄くなり、遅く凍ったところ(中心部)ほど溶質の濃度の濃い氷ができます。
ためしにお茶などを透明な容器などに入れて冷凍庫で凍らせてみて下さい。
表面に近い氷の色は薄く、中心部ほど濃い色になっているはずです。

ただし溶質を追い出す間もないほど急速に冷やした場合は濃度の一定の氷ができますし
冷やす温度があまり低くないと表面の純水は凍っても、内側の高濃度の溶液は凍らず液体のままという場合もあります。
＊ちなみに濃度の高い砂糖水は凍らせるとザクザクとした柔らかい氷になります。

それと密度についてですが、お店で売っている飲料物を思い浮かべて下さい。
ペットボトルなどに入った物には『凍らせると破裂する危険性がある』と注意書きがされていると思います。
つまりお茶やスポーツ飲料など何かが溶けた溶液でも溶媒が水であれば凍らせると体積が増えます。
質量が同じでも体積が多ければ当然密度は低下します。

お礼

わかりやすく解説していただきありがとうございます。
大変参考になります。