実験3 エコカイロ
エコカイロの材料
- 酢酸ナトリウム(無水)----------8.0g
水-----------------------------------4mL
ヘアピン---------------------------1個
袋------------------------------------1枚
- 備考:温めるため、厚手のものを使用しないと融けて漏れます。
ヘアピンは、所謂スリーピンと呼ばれるものです。(パチンと開くものです)
エコカイロとは？
- エコカイロとは、お湯で温めることで何度でも繰り返し利用できるカイロです。
- 普通のカイロのような化学反応ではなく、酢酸ナトリウムという物質の過冷却と凝固熱を利用しています。
カイロが暖かいのはなぜ？
- 物質に何か変化があるとき、それは必ず熱の出入りを伴います。つまり、周りを温めたり、冷やしたりします。
- 普通のカイロは、鉄が錆びるときに発生する熱を利用して暖かくなっています。しかし、一度錆びてしまった鉄は簡単には元に戻せません。だから、普通のカイロは「使い捨て」なのです。
エコカイロはなぜ何回も使えるの？
- エコカイロもまた、物質の変化時に生じる熱を使います。しかし、この変化は化学変化ではありません。ここで使っている変化は、「三態変化」という変化です。この変化は、とても簡単に行ったり来たりすることができます。
- なので、簡単に暖かくなる前の状態に戻せるのです。
三態変化って何？
- 三態変化とは、物質が固体・液体・気体を行き来する変化のことです。
- とても身近なものに、氷・水・水蒸気の三態変化があります。
- 今回は凝固(液体→固体)の変化と、その時に生じる熱(凝固熱)を利用します。
凝固熱とは？
- 凝固熱とは、液体が固体に変化する際に周りに放出される熱のことです。簡単に言うと、氷を溶かすときに加える熱の逆です。
- 固体を液体にするとき、外部から熱を加える必要があります。0℃の氷を0℃の水にするには熱が必要なのです。
- では、液体が固体になるときはどうでしょう。この変化は、上記の変化のちょうど逆です。つまり、熱の出入りも逆になります。
- どういう事かというと、液体は固体になるとき、周りに熱を放出しているのです。
- この熱を「凝固熱」といいます。
凝固点と過冷却
- 普段水を冷やして氷を作るとき、凝固熱は感じることが難しいです。なぜなら、凝固熱は出てきた瞬間に冷凍庫に奪われてしまうからです。
- なので、冷やしていない状態で液体を凝固させるために、「過冷却」という現象を利用します。
- 液体が固体に変化する温度、その温度を「凝固点」といいます。ですが、実際に液体が凍り始める温度は、凝固点よりも低いのです。
- 水を冷やしていくと、一旦-1℃くらいまで下がってから凍り始めます。その後、温度は0℃(凝固点)まで上昇し、凝固熱が冷凍庫に全て奪われるまで0℃を維持します。
- この温度が一旦凝固点以下にまで下がる現象を、「過冷却」といいます。
酢酸ナトリウムとエコカイロ
- 過冷却状態は、衝撃を与えるとすぐに解除されてしまいます。衝撃によって小さな固体の結晶ができ、それを核として凝固が進んでいくのです。
- ですが、酢酸ナトリウム(・三水和物)という、凝固点が58℃の物質は、この過冷却状態がかなり安定していて、少しの衝撃では凝固を始めません。
- エコカイロの中には、酢酸ナトリウム水溶液と、衝撃を与えるための金具が入っています。
- 次で、エコカイロが発熱するまでの変化を追ってみましょう。
エコカイロの仕組み
- 上記の図のうち、①～③の過程でエコカイロを製作します
- その後、④～⑥の過程でカイロとして動作し、⑥の状態をお湯で温めれば、再び①へ戻り、またカイロとして使えます。
- このように、三態変化が熱の出入りだけで簡単に起こせることを利用して、何度でも再利用できるようにしたのがエコカイロなのです。
おまけ
- 融解(固体→液体)時に外部から吸収する熱は融解熱といいます。
熱中症の時に氷を頭の上に置くのは、融解熱によって身体の熱を奪うためです。
- 蒸発(液体→固体)時に外部から吸収する熱は蒸発熱といいます。
アルコール消毒をすると涼しく感じるのはアルコールが蒸発するときに、蒸発熱によって手の熱を奪うためです。
- 凝縮(気体→液体)時に周りに放出する熱は凝縮熱といいます。
身近なものだと、温水器の水を温めるのに使われています。(蒸気式温水製造装置)
- 昇華(固体⇄気体)時に出入りする熱を昇華熱といいます。
- 固体→気体の変化の時に周りから熱を吸収することを利用したものが、ドライアイスです。ドライアイスは固体から直接気体になり、その時に周りから熱を吸収します。そのため濡らしたくないものの保冷剤として用いられています。
- 気体→固体の変化時に放出される熱はあまり利用されていません。
- 過冷却でどこまで下がるかは状況によりますが、水の場合うまくやれば-40℃程度まで下げることもできます。
