ニチレイから、いま伝えたい食にまつわる
よもやま話が集まって、ひとつの「こおらす」奏でます

<第5回> 一気に凍る「過冷却」のひみつ

氷の実験室

ニチレイのルーツをさかのぼると、明治時代に設立されたふたつの製氷会社にたどりつきます。この二社はその後合併し、全国のたくさんの製氷会社を吸収して段々大きくなっていきました。もともとニチレイは氷屋さんだったということになります。今もグループの中には株式会社ニチレイアイスという会社があって、大手の製氷メーカーです。

氷が大好きなニチレイはこの「氷の実験室」で、みなさんと一緒に「氷」の秘密をじっと見つめ考えていきたいと思います。雪と氷が大好きなレイちゃんとロジロジくん、氷博士の石井先生と一緒に、氷の不思議に触れてみましょう。

石井寛崇
(いしい・ひろたか)

ニチレイ 技術戦略企画部基盤研究グループ
冷凍食品のおいしさにも深く関わる氷について、日々研究を重ねている。

レイちゃんとロジロジくん
ニチレイロジグループのキャラクター

この「氷の実験室」は、自由研究など幅広く活用していただきたいと思って作りました。非営利目的での複製・転載などについてご希望がある場合は、株式会社ニチレイ広報部(irinfo@nichirei.co.jp)までご連絡ください。

目次

(1)氷の「重さ」を考える
実験1 氷は水に沈む?浮かぶ?
実験2 水と氷の体積変化と重さ比べ
実験2-1 食用油を凍らせてみよう
実験2-2 水と氷と油の重さ比べ
(2)氷の温度を知ろう
実験3 氷の温度を測ってみよう
(3)氷と温度変化
実験4 0℃の氷と100℃のお湯を混ぜると何℃になる?
(4)いろいろな液体を凍らせてみよう
実験5-1 濃さの違うシロップ水の凍り方比べ
実験5-2 食塩水と砂糖水の凍り方比べ
(5)凍り方の不思議
実験6-1 色つき水の凍り方を調べよう
実験6-2 水が凍る瞬間を見てみよう
(6)とけ方で氷を見分けよう
実験7 どの氷が早くとける?
(7)電子レンジで氷をとかすと…
実験8-1 氷を電子レンジにかけるとどうなる?
実験8-2 氷と水を同時に電子レンジにかけるとどうなる?
(8)熱の運ばれ方と氷の溶け方の関係
実験9-1 扇風機の前に置いた氷のとけ方を見てみよう
実験9-2 風が強いと氷は速くとける?

凍らせたジュースを溶かしながら飲んだら、最初がすごく甘くて、最後の方は薄くなっちゃったよ。

どうして味がかたよっちゃうんだろ?

やってみよう!

実験6-1 色つき水の凍り方を調べよう

用意するもの
透明なペットボトル

食紅、インクなど
手順
1.水に薄く色がつく程度に食紅やインクを入れて混ぜます。
2.ペットボトルの8分目くらいの高さまで、1を入れます。
3.冷凍庫の中に2のペットボトルを入れて凍らせます。
4.取り出して、どんなふうに凍ったか見てみましょう。

答え

色のついた部分が真ん中に集まって、周りは透明になってるよ!

上や下の方にも赤い部分があるね。どうしてこんなふうに凍るんだろう?

教えて!氷博士!

どうしてジュースは均一に凍らないの?

水は凍るときに、ほかの物質を押し出そうとする性質があります  水が凍るときには、水分子が規則的に並んで氷の結晶になります。このとき、水は水分子同士で結びつきたいので、水の中にほかの物質が溶けていると、それを不純物として排除しながら結晶をつくっていこうとする(※)のです。例えば、泥水の水たまりでも表面に張った氷は透明できれいだったり、海水の上に浮かぶ氷をなめてもほとんど塩味がしないのは、このためです。
 冷凍庫に入れたペットボトルの中は、冷気の当たる外側から内側へと食紅やインクなどの不純物を押し出しながら凍っていったので、色のついた部分が真ん中に集められてしまったのですね。さらに、最後に真ん中の部分が凍るときの体積増加(氷の実験室・第1回「氷の『重さ』を考える」の実験2「水と氷の体積変化と重さ比べ」参照)で、比較的薄い上側の氷の層が破れて、色つきの部分が押し出され、この状態になったのでしょう。
 これがとけるときには、逆に、不純物の多い部分が低い温度で先にとけだします。そのため、凍らせたジュースなどを飲むときには、甘い成分の多い部分が先にとけだして、純粋な氷の部分が残るので、だんだん薄くなってしまうのですね。
 水が不純物を外に押し出しながら凍る現象は、凍る速度がゆっくりのほうがよくわかります。急激に冷やして全体が一気に凍ると、不純物を押し出すヒマがなくて、氷の結晶と結晶の間に不純物が残ってしまうためです。今回の実験で、「あまりきれいに真ん中に色が集まらなかった」という場合は、ペットボトルを冷凍庫に入れるときにタオルやエア・クッション(気泡シート)でくるんで、ゆっくり凍らせるようにしてみてください。反対に、凍らせたジュースのペットボトルを、最初から最後までなるべく同じ味で飲みたいときには、できるだけ一気に速く凍らせる方がいいということですね。

(※)水の結晶(氷)は、特殊な結合である「水素結合」(氷の実験室・第1回「氷の『重さ』を考えるの「教えて!氷博士(3)」参照)によって分子同士が結びついているので、この結晶構造の中に不純物が入るのは、他の物質の結晶と比べても非常に困難なのです。現在、水の結晶(氷)の中に入り込める物質として知られているのは、フッ素や塩素などごく一部のものだけです。

氷の性質を利用した「凍結濃縮」の技術  水が溶けているものを排除しながら凍る、という性質を利用した技術が「凍結濃縮」です。例えば、コーヒーなどの液体を保存したり運んだりするときに、そのままだと量が多くて大変です。そのときに、凍らせて純粋な水(氷)の部分を取り除いていくことで、コーヒーの成分を濃縮できるのです。液体を濃縮する方法には、ほかに熱乾燥などがありますが、高温になると色や香りなどの成分が変化してしまうことがあります。「凍結濃縮」の場合は低温なので、成分に影響をあまり与えずに濃縮ができ、色や香り、栄養価が重要な食品や、医療品などに利用されています。

水が凍る瞬間を見てみたいな!

0℃になっても凍らない水の不思議

 水の凝固点は0℃ですが実は0℃になったら必ず凍るというわけではありません。水をゆっくり静かに冷やしていくと、凍らないまま温度が低くなります。この状態を過冷却と呼びます(※)。過冷却状態になった水は、核になるもの(氷のかけらなど)を入れたり衝撃を与えたりすると、その部分から一気に凍っていきます。これは自然の中でも起こっている現象です。上空の雲の中では細かい水滴が冷やされて過冷却状態になっていて、空気中のチリなどが核となって雪の結晶が育っていきます。また、過冷却の霧の粒が木の枝にぶつかって凍りつくと、樹氷ができます。
 過冷却を完全にコントロールすることはできませんが、うまく過冷却状態をつくり出せると、普段は見られない「水が凍っていく瞬間」が見られます。家庭でも過冷却状態をつくり出しやすい実験方法を3つ紹介しますので、ぜひチャレンジしてみてください。

※さらに詳しく知りたい方はこちら↓へ。
日本冷凍空調学会「最近気になる用語」

やってみよう!

実験6-2 水が凍る瞬間を見てみよう

<方法1>まずは、この方法でチャレンジ!

用意するもの
氷を入れるバットなど(平らで深さのある容器)
氷、塩
アルミカップ(お弁当のおかずなどの入れ物)3~5個

温度計
手順
1.氷をバットに入れ、氷の重さの1/3くらいの量の塩を振りかけて混ぜます。バットの中に温度計を入れ、温度を測ります。
2.1のバットの中はどんどん温度が下がっていくので、少しずつ水を入れて、
-7~-9℃くらいになるように調節します。
3.アルミカップに同じ量ずつ水を入れ、バットの氷の上に並べます。触ったり揺らしたりせずに静かに冷やしていきます。
4.アルミカップの水のうち、どれか一つが凍り始めたら、他のカップの水は過冷却状態になっている可能性大。小さい氷のかけらを、入れてみましょう。

<方法2>少し大きな規模で、氷の成長が見られます

用意するもの
氷を入れるボウルなどの容器
氷、塩
試験管など透明容器

温度計
手順
1.氷をボウルに7分目くらいの高さまで入れ、氷の重さの1/3くらいの量の塩を振りかけて混ぜます。ボウルの中に温度計を入れ、温度を測ります。
2.1のボウルの中はどんどん温度が下がっていくので、少しずつ水を入れて、-7℃~-9℃くらいになるように調節します。
3.2のボウルの中に、水を入れた透明容器を入れます。入れたら、触ったり揺らしたりせずに静かに冷やしていきます。
4.3分~5分程経ったら、静かに透明容器を取り出します。
(→※実験ちょっと失敗編(4)「出したらもう凍ってた!」
5.温度計の先や小さな氷のかけらを、透明容器の水の中に入れてみましょう。
(→※実験ちょっと失敗編(5)「凍らない…」

すごい! 温度計の先を入れた途端に、そこから一気に凍っていったよ!

温度計の先を入れた途端に、そこから一気に凍っていったよ!

実験ちょっと失敗編(4) 「出したらもう凍ってた!」

試験管を出してみたら、もう半分凍っちゃってた!

冷やす時間がちょっと長かったですね。また、試験管を取り出すときにぶつけたりすると、その衝撃で凍ってしまうので、気をつけてそっと取り出してください。

実験ちょっと失敗編(5) 「凍らない・・・」

氷のかけらを入れてみたけど、何も変わらなかった・・・。

まだ過冷却状態になっていなかったんですね。冷え方は気温にもよるので、冷やす時間を調節しながら、何度かチャレンジしてみてください。

<方法3>さらにダイナミックにやってみましょう

用意するもの
透明なペットボトル
水、お茶、清涼飲料水など
タオル
手順
1.ペットボトルに水を8~9分目くらいまで入れて、ふたを閉めます。
2.1をタオルなどでくるんで、2~3時間冷凍庫で冷やします(※)。その間は冷蔵庫のドアの開閉などは振動を与えないようにそっと行って、できるだけ静かに冷やします。
3.静かに取り出して、ペットボトルを叩くなど衝撃を与えてみましょう。過冷却状態になっていると、その部分から水が凍り始めます。または、そっとふたを開けて、器に注いでみましょう。水が過冷却状態になっていると、注いだ水はあっという間にシャーベット状に凍っていきます。水のほか、お茶や清涼飲料水でも試してみましょう。
※温度が調節できる冷凍庫の場合、-7~-9℃程度に設定すると、過冷却状態がつくりやすくなります。

非営利目的での複製・転載などについてご希望がある場合は、株式会社ニチレイ広報部(irinfo@nichirei.co.jp)までご連絡ください。

2012.08.29 更新

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