過冷却の仕組みと振って凍らせるコーラの実験について解説

自由研究で過冷却について調べている方へ。この記事では、過冷却とは何か、振って凍らせたコーラと振らないコーラを比べる実験を通じて、過冷却状態がどうして発生するのかについてわかりやすく解説します。

過冷却とは？

過冷却とは、物質が固体に変わるために必要な温度を下回ったにもかかわらず、まだ液体のままでいる状態のことを指します。例えば、水は0℃以下になると凍るはずですが、過冷却状態では0℃を下回っても凍らず、液体のままで存在します。これは、物質が固体になるための「結晶の種」がない場合に起こりやすい現象です。

過冷却は、外部の影響や物質中に微小な粒子がない場合に起こりやすく、結晶化が進むきっかけとなる「核」がないと、液体は異常に冷えても凍ることがありません。

過冷却状態を作り出す方法として、コーラを冷凍庫に入れて、振ってから取り出すという実験があります。コーラは冷凍庫で0℃以下の温度まで冷やすことができますが、結晶化が始まる「核」が存在しないため、過冷却状態になります。振ることで、コーラの中にある微小な気泡や不純物が核となり、急激に凍り始めます。

振らずにコーラを取り出すと、過冷却状態が維持されており、少しでも刺激を加えると一気に凍り始めます。つまり、振らない場合は過冷却状態が保持されているが、振った場合は結晶化が促進され、凍る現象が観察できるのです。

過冷却状態が発生する理由は、物質が固体になるための「核」がないからです。例えば、水の場合、0℃以下になっても、結晶化が始まるためには何かしらの「核」が必要です。この「核」がなければ、水は液体のまま冷え続けることができます。

コーラの場合、振ることによってその微細な気泡や不純物が「核」となり、突然凍り始めます。この現象は、過冷却状態の物質が結晶化を始める瞬間として、非常に面白いものです。

実際にコーラを使った過冷却実験を行う場合、コーラを冷凍庫に入れ、約2～3時間冷やします。その後、冷えたコーラを取り出し、振ると、コーラは一気に凍り始めます。この実験では、コーラに含まれる気泡が過冷却状態を解除し、結晶化を引き起こす「核」となります。

振らない場合、過冷却状態はそのまま維持されますが、何かしらの衝撃が加わると、急速に凍結が始まります。これを利用した実験は、物質の物理的性質や過冷却状態の理解に役立ちます。

過冷却は物質がその温度を下回っても液体のままで存在する現象であり、コーラの実験では微細な気泡や不純物がその「核」となり、振った瞬間に凍る現象が観察されます。振らない場合、過冷却状態はそのまま保持され、刺激を加えると急激に凍り始めます。この実験を通じて、過冷却状態の面白い特性を学ぶことができます。