氷の研究･科学実験！水溶液【食塩水・砂糖水】が凍るまでの時間と濃さと溶け方の関係

夏の暑いときにはアイスやかき氷を食べますし、飲み物には氷を入れて冷たくして飲みますよね。

氷にはいろいろなものがあり、身の回りにある冷たい氷には様々な性質があります。

冷蔵庫にある普通の氷と、キッチンにある砂糖と塩を使った砂糖水や食塩水を凍らせて作った氷と比較して違いを調べてみたいと思います。

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水溶液が凍るまでの時間と濃さの関係の基礎データ

難易度	やや難しい
対象	小学校5年生以上
実験期間	2日
テーマ	実験
費用	500円

実験は、道具と材料が揃えば、あとは根気よく繰り返し実験を行なうだけですが、夏の自由研究のテーマにするときは氷が溶けやすいので科学実験を行なうときに素早く行わないといけませんね。

実験日数は、余裕をもって2日にしましたが1日でもできる内容です。

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準備する道具

材料	個数
砂糖	275g
食塩	415g
氷	大量に
試験管	6本
製氷皿	1個
温度計	1本
針金	1本
ボウル	1個
プラスチック製コップ	12個
時計	1個
計量器	1個

食塩は1日で終わらせるなら500gあれば足りますが、2日に分けて行なうなら合計1kgは準備しておいたほうがいいです。

氷は大量に準備しておいたほうがいいので、製氷皿がいくつかあれば作り置きしておき、実際に使うボウル2つ分の氷があるといいです。

水溶液が凍るまでの時間と濃さの関係を調べる

水溶水を作る濃度（食塩水・砂糖水）

今回作る水溶液は、食塩水・砂糖水ともに10種類を作って調べたいと思います。

食塩水の濃度

食塩	水	食塩水
1g	100g	1%
2g	100g	2%
3g	100g	3%
4g	100g	4%
5g	100g	5%
6g	100g	6%
7g	100g	7%
8g	100g	8%
9g	100g	9%
10g	100g	10%

食塩水の濃度は1%～10%までの10パターンで調べてみます。

砂糖水の濃度

砂糖	水	濃度
5	100	5%
10	100	10%
15	100	15%
20	100	20%
25	100	25%
30	100	30%
35	100	35%
40	100	40%
45	100	45%
50	100	50%

砂糖水の濃度は5%～50%までの10パターンで調べてみます。

食塩水・砂糖水を作る

食塩水1%の濃度の水溶液の作り方を紹介しますので、同じように他の濃度の水溶液も作っていきます。

計量器にプラスチック製コップを乗せて食塩を1g入れます。

食塩1gの中に水を100cc入れて、食塩水1%の水溶液を作ります。

この手順で食塩水1%～10%までの10個と、砂糖水5%～50%までの10個の水溶液を作りますが、食塩・砂糖と水の量はできるだけ正確にはかってを下記に表にしておきます。

コップの底に塩や砂糖が溜まっていたら、水に溶けるまでよくかき混ぜておきます。

そして、どのカップが何%の食塩水または砂糖水なのかが分かるように付箋などを貼っておくといいです。

常温の水を準備する

プラスチック製のコップ1個に水道水を入れて、常温にしておきます。

この水は、凍らせる水溶液を一定の温度に保つためのものになります。

試験管に2ccの水溶液を入れる

水分を綺麗に拭き取ったコップを計量器に乗せて2ccの水溶液を注ぎ入れます。

コップに入れた2ccの水溶液を試験管に入れます。

メモリが付いているスポイトがあるといいですが、無いときにはコップと計量器でもいいと思います。

ただし、濃度が変わらないようにするために下記の手順で試験官に水溶液を注ぎ入れます。

【試験管への水溶液の入れ方】

・コップの水分を綺麗に拭き取る
・コップに計量器を乗せて2cc（2g）を量り入れる
・コップに入った2ccの水溶液を試験官に移す
・試験管に水溶液の濃度が分かるように紙を貼る
・コップに残った水分を綺麗に拭き取る

試験管に入れる水溶液の濃度が変わらないように、コップは必ず拭いて水分を残さないようにします。

水溶液を入れた試験管を常温の水に入れる

試験管に2ccの水溶液を入れたら、常温の水が入っているコップに入れておきます。

水溶液を凍らせるときに条件を同じにするために、温度を全て一定に保つために行ないます。

水溶液を冷やすための寒剤の作り方

ボウルに氷と食塩を１：１の割合で入れます。

私は今回、氷400gに対して食塩400gを入れました。

氷と食塩を１：１で入れたら、水を少し入れます。

今回、水は130cc入れました。

プラスチック製のコップに氷と食塩を１：１で入れたら、水を少し入れます。

今回は、氷30g・食塩30g・水20ccを入れました。

氷・食塩・水を入れたボウルの真ん中に、氷・食塩・水を入れたコップを入れます。

倒れないようにコップの下に氷などが入らないように注意しましょう。

これで寒剤の出来上がりです。

実験１：水溶液が凍るまでの時間を調べる

試験管を寒剤に入れて調べる

ボウルの中に入れたプラスチック製コップの中に食塩水1%の試験管を入れて冷やします。

試験管を入れたら、凍るまでの時間をはかるので時計かストップウォッチを準備してから試験管を入れましょう。

凍ったかどうかの確認は試験管を少し引っ張り出して、凍っているかを確認します。

試験管は全てを出さないで、冷やした状態で確認するようにします。

「凍った水溶液」と「凍ってない水溶液」は、見た目で違いが分かります。

試験管の中の水溶液が凍っていたら、時間を確認して何分で凍ったのかを記録しておきます。

凍るまでの時間は2回はかって、その平均時間を水溶液が凍るまでの時間とします。

実験を繰り返していると水の量が増えてきます。

水の量が増えてきたら水を捨てて、氷と塩を足して実験を続けていきます。

食塩水が凍るまでの時間

濃度	凍るまでの時間
濃度	1回目	2回目
0%	1分5秒	1分20秒
1%	2分20秒	3分30秒
2%	2分50秒	1分50秒
3%	9分10秒	8分30秒
4%	9分	7分40秒
5%	8分50秒	9分
6%	10分経っても凍らず
7%	10分経っても凍らず
8%	10分経っても凍らず
9%	10分経っても凍らず
10%	10分経っても凍らず

砂糖水が凍るまでの時間

濃度	凍るまでの時間
濃度	1回目	2回目
0%	50秒	1分5秒
5%	1分15秒	1分50秒
10%	1分30秒	1分40秒
15%	1分25秒	2分
20%	2分30秒	3分5秒
25%	2分10秒	2分50秒
30%	3分	3分40秒
35%	3分5秒	4分10秒
40%	5分	5分20秒
45%	6分	5分50秒
50%	7分	8分30秒

実験結果：食塩水と砂糖水が凍るまでの時間

食塩水と砂糖水が氷になるまでの時間を実験で確認しました。

実験を行なうにあたり条件を同じにしました。

・試験管に入れる水溶液は2cc
・試験管に入れた水溶液の温度を常温にする

氷水（寒剤）の温度は－15℃～－7℃でした。

実験１で確認した濃度の濃さが違う水溶液が凍るまでの時間を食塩水と砂糖水でグラフにしてみました。

【食塩水の濃度別の凍るまでの時間】

【砂糖水の濃度別の凍るまでの時間】

食塩水と砂糖水の濃さと氷になるまでの時間について

実験１で行なった、食塩水と砂糖水の濃さの違いによる氷になるまでの時間について、濃度が低いほうが凍りやすいですが、必ずしも濃度が低いほうから高いほうに順番に凍っていくわけでは無いことがわかります。

実験結果：食塩水と砂糖水で凍るまでの時間を比較

食塩水と砂糖水を濃度と凍った時間までをグラフにしてみました。

食塩水の6%以上は10分以上、氷水に浸けておいても凍らなかったですが、今回の実験では濃度が高くなると凍るまでの時間が長くなることが分かります。

氷水の温度を一定に保つことができなかったことが凍らなかった原因の１つかも知れません。

感想・考察

砂糖水と食塩水を凍らせたところ、濃度が濃い水溶液ほど氷になるまでに時間が掛ることが分かりました。

でも、今回の実験では濃度が薄いものから濃い順番に凍っていくということではなく、先に濃度が濃いものが凍ることもありましたが、濃度が薄いものは凍るまでの時間が短く、濃いものほど凍るまでの時間が長いことが分かります。

なので、砂糖水と食塩水の水溶液の濃度の濃さと凍りやすさ関係性があると言えます。

食塩水の濃度6%は、10分経過後は放置して1時間後に試験管を確認してみましたが全く凍っていませんでした。

氷水の温度は－7℃でしたが凍りませんでした。

反省点

氷水（寒剤）の温度を一定に保つ

氷水の温度が一定にならず、はじめは－15℃と低い温度でしたが、時間とともに温かくなり濃度が濃い試験管を入れるときには－7℃になっていたことが食塩水6%以上の濃度の水溶液が凍らなかった原因の1つかも知れませんので、氷水の温度を一定にすることまたは、濃度が濃いものから実験するようにしたら氷になっていたかも知れません。