爆発的な結晶析出

過飽和状態の酢酸ナトリウム水溶液に刺激を与えると、結晶が一気に析出してきます。

□結晶析出は熱を伴います。

□ちょっとした刺激で一気に結晶化が進行

「動　画」丸底フラスコ中で立体的な結晶化が観察できる

□まるで雲が広がっていくよう

「解　説」

突然結晶が析出してくる：冷凍庫の中で一定時間置いたドリンクをカップに注ごうとしてキャップを外したとたん突然凍り出してしまうという、いわゆる「過冷却」と同類の現象です。一般に、水に溶解しやすい物質の溶解度は、温度上昇に伴って大きくなるものが多く、溶解度に達した飽和溶液をそのまま冷却していけば、その温度の溶解度に応じた余分な結晶がすぐにでも析出してきそうなものです。しかし、いったん溶解させた物質は、溶解度を超えた状態でもなかなか結晶が析出せず、一時的に過飽和の状態になります。溶解している成分は、水のような溶媒分子に取り囲まれて安定しているため、結晶が析出し始めるためには、一定のエネルギーが必要となるのです。必要なエネルギーが低くて済むような方法があっても同様の効果があるので、少し物理的な衝撃を加えてやる場合がこれにあたります。安定した過飽和状態が破壊されることで、一気に結晶化(ブレイク)が進行するのです。なお、水溶液中に析出のきっかけ(トリガー)になる不純物が多く含まれている場合も、過飽和の状態が維持されにくくなります。劇的なブレイクを観察するためには、トリガーになりそうな不純物をあらかじめろ過などして取り除いておく必要があります。

熱が発生する：このブレイクによる劇的な結晶析出は、大量の熱の放出を伴います。これは、結晶核の投入によって溜まっていたエネルギーが凝固熱として一気に解放されるからです。

　CH₃COONa ＋ 3H₂O ＝ CH₃COONa・3H₂O ＋ 39.5 kJ

過飽和状態の溶液にある酢酸ナトリウム CH₃COONaが三水和物になる際に、熱エネルギーを放出するのは、三水和物形成時に自由に動き回っていた粒子が結晶として固定さ、余剰のエネルギーが生じるからです。その余剰のエネルギーが凝固熱であると考えることもできます。

なお、酢酸ナトリウムを封入し、融解と凝固を繰り返すことで再利用可能となる発熱体が「エコカイロ」として販売されています。そのビニールの容器内部には、トリガーとなる金属片が入っていて、それを刺激することで、意図的にブレイクを起こさせる仕組みになっています。

◇実験タイトル：酢酸ナトリウムの結晶が爆発的に析出してくる

◇サブタイトル：

◇キーワード：溶解度　飽和　過冷却　発熱反応　ブレイク

◇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多いので参考にして下さい。