雪の結晶を作る

ドライアイスを用いて空気中の水分を急冷し、雪の結晶を人工的に作り出します。

「動　画」準備中

ペットボトルの内部を眼を凝らして見ていると、光の差し込み具合によって小さな水滴が激しく対流している様子がわかります。ドライアイスの急冷によって、ボトル内部の空気の密度にむらができるのでしょう。

実験プリント版

「実験タイトル」雪の結晶をつくる！

「サブタイトル」イッツア、スノーワールド！

「キーワード」
水分子　結晶　電気陰性度　極性　昇華

「実験準備・操作」

「補　足」

1. 発泡スチロールがなければ、厚めのタオルで代用し、全体を輪ゴムで止めて使うこともできる。
2. 室温によって、生成した結晶がすぐに溶解してしまうことがあるので、デジカメでマクロ撮影しておくと良い。

「解　説」

１．水分子には極性がある：水が凍るとなぜあのような微細な結晶を作るのかを考える前に、水分子の構造を理解しなければなりません。水分子は、水素２原子が酸素１原子を間にはさみ、その角度は直角よりやや広い104.5度で結合しています。また、水素と酸素の間では電子が共有されていますが、酸素の電子を引き寄せる性質(電気陰性度)が大きいため、分子全体として電子が偏って存在する部分(やや負電荷に偏るδ+)とそうでない部分(やや正電荷に偏るδ-)ができることになります。こういった電荷の偏りが極性であり、水は極性分子であるといいます。

２．水分子の極性が氷の独特の構造を作り出す：水分子が極性を持つことが理解できたところで、水が凍る際にどのように固化が起こるかを考えてみることにします。水分子が分子間でδ＋とδ-部分で引き合いながらも、液体であるうちは比較的自由に動くことができるわけです。しかし、凍る際には引き合ったままで固まってしまうので、一定の規則性を保った構造ができあがることになります。

３．中谷ダイヤグラム：世界で初めて人工的に雪の結晶をつくることに成功した日本人の学者が中谷宇吉郎(1900-1962)です。中谷は、低温施設で雪の結晶を再現し、結晶の形と温度、湿度の関係を「中谷ダイヤグラム」としてまとめました。雪の結晶の形を見れば、その結晶が生成した上空の様子がわかるとし、随筆家としても知られた中谷は「雪は天から送られてきた手紙である」という名言を残しています。

◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対にしないで下さい。詳細は、次の３書(管理者の単著作物)でも扱っているものがありますので参考になさってください。