水に圧力をかけて……

質問

おはようございます☆
　今私は化学について習っていますが、その前に習っていたことからひとつ疑問があります。

　水に、これ以上体積が増えることの出来ないように圧力をかけます。そして、氷点下0℃以下まで温度を下げます。
　そのとき、水は大きな箱の中に水たまりのように入っていますが、その箱は真空状態で、水は絶対に外には出られません。
　つまり、水は体積が増えることは出来ませんし、箱が壊れることもないというわけです。

　理科の先生にも質問したのですが、分からない、の一言でした。
　どなたか教えて下さいませんか??

回答No.4

ORUKA1951 · ベストアンサー

具体的な数字は失念したのですが零下十数度あたりで凍り始める。この時の圧力は数気圧、高圧の状態での結晶ですから、通常の氷とは結晶の形(相)が変わる。確かIII型(通常の氷はI型)
中央大学 | 研究・産学官連携 | 研究支援室(理工学研究所・研究開発機構・CLIP) ( http://www.chuo-u.ac.jp/chuo-u/randdev/f02_05_09_j.html )
の図６でいうと、０℃のところを垂直に下りて、氷と水の境界線に達すると線に沿って右下に進み、一番低いところで氷に変化して、そこから垂直に下りていく。・・III型・・そこからさらに下りるとII型になってるね。

【参考サイト】
氷の特徴
　 http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%B7#.E6.B0.B7.E3.81.AE.E7.89.B9.E5.BE.B4

お礼

ありがとうございます。参考にします!!

回答No.7

pop_eye

あら、また計算ミスだ。（しょぼ～ん）

（ここからミス）
水が凍ると体積1割増なので気相体積は半分になって、圧力は倍になる。
0.2MPaだから、前回答同様に　dP/dT = -1.2e5 Pa/K　より

dP/dT=ΔP/ΔTとしちゃって、ΔP=2e5 Paだと
ΔT=-2e5/1.2e5=-1.7 K

この場合、融点は2 K下がるのだ。
過冷却を考えないと、0℃で凍り始め、凝固完了は－2℃。
（ここまで）

正しくは、
体積1割増＝1.8mL増だから、ガススペースは0.2mL。
体積1/10だから圧力は10倍の1MPaだ。
ΔT=-1e6/1.2e5=-8.3 K
この場合、融点は8 K下がり、0℃で凍り始め、凝固完了は－8℃。

以上。

回答No.6

pop_eye

あ、間違えた。

正しくは、実際は気相があるから、そんなに圧力は高くなっておらず、
そんなに冷やさなくても凍る、かな。

あれ、移項するときに8乗が７乗になってるじゃん。（間抜け～）
とすると融点は800K下がって、、、あらら、完全には凍らないわ。

ついでだから、気体のある場合も考えようか。

さっきは、水から氷に変化しても体積が増えない場合だったが、
少し余裕のある容器の場合。

そうね、18g=18mLの水に対して、2mL余裕を入れて、
20mLの容器を想定しましょう。

大気圧の不活性ガスとともに封入したとする。
仮定として、ガスは溶存しないとする。

水が凍ると体積1割増なので気相体積は半分になって、圧力は倍になる。
0.2MPaだから、前回答同様に　dP/dT = -1.2e5 Pa/K　より

dP/dT=ΔP/ΔTとしちゃって、ΔP=2e5 Paだと
ΔT=-2e5/1.2e5=-1.7 K

この場合、融点は2 K下がるのだ。
過冷却を考えないと、0℃で凍り始め、凝固完了は－2℃。

スペースを広くとれば定圧条件に近くなるのは当然だな。

結論：スペースが1割以下だと凍らない。一割以上だと冷やせば凍る。

回答No.5

pop_eye

直感で、凍って膨張して圧力が上がる分、凍りにくくなるのは分かる。

例えば、0℃の水を大気圧下で密閉する。
液体も固体も蒸気圧があるので、一部は水蒸気になり、
気-液2相系ができそうですが、面倒なので無視。

状態は経路に依らないとして、定圧で冷やしてから、
増えた体積分を加圧して、定積での変化を見積もろう。

0℃の水1モル（18g=18mL）について考える。
全部が凍ると、大気圧下なら体積10％増加、密閉系なら圧力増加。

固体氷の弾性率はGPaオーダーだろうから、
体積10%増分を縮めるには100MPa=1e8Pa =1000気圧が必要。
ああ、鋼の水道管も破裂する訳ね、、、。

さて、クラクラ式dP/dT = ΔH/(TΔV)　の右辺に数値を入れる。
氷の融解熱ΔH=6kJ/mol, T=273K, ΔV=-1.8mL/mol=-1.8e-4 m^3/mol
をぶち込んで、dP/dT = -1.2e5 Pa/K

dP/dT=ΔP/ΔTとしちゃって、ΔP=1e8 Paだと
ΔT=-1e7/1.2e5=-83
おおお、融点は80 K下がるのだ？

過冷却も考えてないし、有効数字もめちゃくちゃだけど、ラフな結論は、
-80℃にすると全部凍る。それまではダラダラ固-液共存状態かな。

実際は、気相があるので圧力は上がらないから、
もっと冷やさないと凍らないかも。

回答No.3

mtaka2

見ずにかぎらず、大抵の物質は「温度」と「圧力」で、
気体・液体・固体のどの状態を取るかが決まります。

水の場合、「1気圧」では、0度より下がると固体になるわけですが、
それより圧力が高ければ、温度が0度より低くても液体状態になります。
http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0200a/contents/30202.html

お礼

とても解りやすい解説、ありがとうございます

回答No.2

tpg0

質問の意味が分かりませんね。理科の先生は質問の内容が意味不明だったから分からないと言ったのです。
まず、水にどのような方法で圧力を与えるのでしょうか？
その圧力の大きさは？
氷点下に高圧力の水なら凍らないかと言う疑問？
高圧力に真空の箱？
どのような環境が想像が出来ませんね。
なぞなぞですか？

回答No.1

noname#137229

何が疑問なのでしょう？

その点が書かれていませんが？

お礼

すみません。説明不足でした。
水は、氷点下になると凍りますね。そして、体積も増えますよね。
　けれど、この場合は、氷点下だけれど体積が増えることで出来ないため、凍ることが出来ないのか?と言う質問です。