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。
（※）水の結晶（氷）は、特殊な結合である「水素結合」（食用油を凍らせてみよう 氷の重さを考える(3)の「教えて！氷博士」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。

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（氷は水よりどれくらい軽い？氷の重さを考える(2)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。

水に砂糖などの不揮発性の物質を溶かすと、水溶液が凍る温度（凝固点）は０℃よりも低くなります。この現象を凝固点降下といいます。水が凍るときは水分子同士が結びついて氷になります。ところが、水溶液の場合、水に溶けている物質の粒がじゃまをして、水分子同士が結びつきにくい状態になっています。このため、水溶液を凍らせるには０℃よりも温度を低くする必要があるのです。水に溶けている物質の粒の数が多いほど、水溶液の凝固点は低くなります。
さらに、実験５－２では食塩水と砂糖水は同じ濃さなのに、食塩水の方がより低い温度で凍りました。これは、食塩と砂糖の粒のつくりの違いが関係しています。食塩と砂糖が水に溶けたときの粒の様子は、図のように考えることができます。同じ質量の水に、食塩と砂糖をそれぞれ同じ質量だけ溶かすと、砂糖水よりも食塩水の方が、水に溶けている物質の粒の数が多くなります。このため、食塩水の方が、より低い温度で凍ったのです。

「氷の温度」と「かき方」を工夫してチャレンジしよう！

かき氷を食べたときの「キーン」は、「アイスクリーム頭痛」とも呼ばれていて、冷たいものを一気に食べたときに起こります。痛み方には個人差があるようですね。
原因には２つの説があります。喉の奥の神経が「冷たさ」の刺激を「痛み」と誤認するという説と、「冷たさ」の刺激が引き金になって一時的に頭の血管に軽い炎症が起こり、それが痛みにつながるという説です。
どちらにしてもポイントになるのは、かき氷の「冷たさ」です。
「天然氷でつくったかき氷は頭がキーンとしない」という人もいます。天然氷でかき氷をつくっている人に聞いたところ、「天然氷と機械氷の違いというよりは、天然氷の場合、貴重な氷をおいしく食べてもらうために、氷の温度やかき方などにこだわっていることが大きいでしょう。重要なのは、氷の温度が低過ぎないことと、できるだけ薄くかくこと」とのことでした。つまり、冷た過ぎない、口に入れるとサッととけてしまうかき氷、ということですね。
この２点をマネして、キーンとしないかき氷をつくってみましょう。冷凍庫から出したばかりの氷は－10℃以下になっているので、しばらく冷蔵庫に置いて－4～5℃くらいまで温度を上げてから、できるだけ優しく薄くかいてみてください。なお、家庭の冷蔵庫でつくった氷を使う場合は、なるべくゆっくり凍らせた硬い氷の方が上手に薄くかけるので、水を入れた容器をタオルなどでくるんで冷凍庫に入れるようにしてみてください。