氷に塩をかけると冷える理由

手作りアイスクリームを作る器具に、氷に塩をかけて冷やすものがあるのをご存知でしょうか。
氷に塩をかけるのは、氷が入っている部分の温度０度より下げるためですが、なぜ氷に塩をかけると温度が下がるのでしょうか？
氷に塩を掛けると冷える理由イメージ

先ず、暖かい部屋に大きな氷を出したところを想像してみてください。大きな氷の塊なら部屋の温度が下がり、氷は時間経過に連れて融け、周囲は融けた水で溢れてしまうことは理解できると思います。

融解熱とは

なぜ部屋の温度が下がるのでしょうか？
考えられることは一つ、氷が熱エネルギーを吸い取って、水になったということです。
では、なぜ、氷が水になるときにエネルギーを必要とするのでしょうか？
氷は水素原子２個と酸素原子１個で構成された水分子が周囲の水分子と強固に結びついたものです。と言っても、丈夫な歯の持ち主は搗ち割り氷を口中で砕いてしまうようにそれほど強固な結び付きではありません。それが、同じ物質なのに個体の氷が液体の水に浮くという奇妙な現象を起こします。

水分子同士の結びつきが強固なので氷は水のように自由な形にならないのです。液体の水の場合は、水分子同士の結びつきが少し弱くなります。ですから、どんな複雑な形をした容器でも満たすことができますが、自由に動けるということはエネルギーを必要とするということです。私たちでも運動すれば動かないで寝ているときよりエネルギーを必要とします。
このように、固体の氷から液体の水になるとき周囲からエネルギーを奪う、すなわち、周囲の温度が下がります。このときの熱量を融解熱と言います。

氷に掛ける塩の役割

氷に塩をかけると、融けていた水に塩が溶けます。塩が水に溶けるというのは、塩を構成している塩素とナトリウムの結び付きが切れて、塩素がマイナスの電気を帯び、ナトリウムがプラスの電気帯びてイオン化してその周囲に水分子を電気的に結合させて安定することです。このとき、エネルギーを必要とするので周囲から熱エネルギーを奪いますから、周囲の温度が下がります。
逆に熱を放出する物質がありますが、溶質が溶媒に溶けるときの熱の出入りを溶解熱と言います。砂糖シロップやジャム、和菓子の餡を作るときに経験することですが、加熱するとより多くの砂糖が溶けるのは溶解熱を外部から与えているからです。
もうひとつ大事なことは、塩水を凍らせるには、水分子から塩素やナトリウムのイオンを離さなければならないので、そのためのエネルギーを外部から必要とするので水が凍る０度では凍らないということです。

まとめると、氷に塩をかけると、氷が水になるときに周囲から熱を奪う融解熱と、塩が水に溶けるときに周囲から奪う溶解熱
の相乗効果で温度が下がり、温度が下がっても塩水のために周囲の水が再び凍ることがないので反応が止まることがなく温度が下がるのです。
質量で、氷の３分の１の塩を振り掛けると、零下２０度まで下がるそうです。冷凍庫が壊れると氷よりアイスクリームの方が先に溶け出すことで解るように、アイスクリーム作りには氷作りより低温が必要なので凍りに塩を掛けて低温を作り出す器具が作られたのでしょう。