科学(化学)いつだれがドライアイスを作ったの？

質問

小学３年生の息子の疑問です。

ドライアイスは、【二酸化炭素を130気圧かけて固めたもの】と言う様な、おおよその理解をしている様なのですが、

『じゃあ、
そんな130気圧もかけなくちゃいけない事を、誰がみつけたの？』
というのが疑問なのだそうです。

なんで、二酸化炭素にそんな圧力をかけたら固まって[氷]みたいになって、
でも、液体にならないで、気体になって消えてなくなっちゃうから水浸しにならないで便利だな。氷の代わりに[ドライアイス]を作って使おう！
って、誰がいつ気がついたの？
それって、すごくない？？

そもそも～、
130気圧もかけられる機械っていうのもだれが考えたの？
どんな機械なの？

[空気から二酸化炭素だけ集める]ってどうやるの？

あ！
水素自動車とかできてるよね。空気の中に水素はちょっとしかないのにどうやって集めてるわけ？
声の変わるヘリウムガスとかも…。

ドライアイス(二酸化炭素)みたいに、冷たく固めて…
つまり…固体の時は凄く冷たくて、溶けると気体になっちゃうっていう物質は、
二酸化炭素しかないのかな？

と？？？なのだそうです。

「分からない。」「ママは知らない。」と答えても、
(忘れるまで)しつこく何度も質問を繰り返す息子です…。
またどこかのお店でドライアイスを入れてもらうたびに思い出すかと…。

ご回答何卒宜しくお願い致します。

回答No.2

kamisenbon · ベストアンサー

http://www.sdk.co.jp/gaspro/dryice/history.html

ここに簡単ですが書いてありますよ。
その先のリンクも含めていろいろ見てみたらいいと思います。
どんな物質も温度を下げたり圧力をかけると気体→（液体）→固体に変化していきます。
二酸化炭素もそのようにしてみたらやっぱり固体になった、ということで、二酸化炭素の固体自体は偶然の発見と言うよりは必然の発見じゃないのかなと想像します。多分ですけどね。

それでその固体の二酸化炭素を研究しているうちに、これは冷却材として使えると目を付けた誰かが工業的に生産して「ドライアイス」として商品化して今に至るということかなと。

＞ドライアイス(二酸化炭素)みたいに、冷たく固めて…
＞つまり…固体の時は凄く冷たくて、溶けると気体になっちゃうっていう物質は、
＞二酸化炭素しかないのかな？

これに関してはいくらでもありますよ。
窒素だって酸素だって、（圧力かけて？）冷やしてしまえば二酸化炭素同様固体になります。

お礼

ご回答ありがとうございました。

ウィキペディアや他の訪問したサイトでは良く理解できず困っておりましたが、
ご紹介頂いたサイトを訪問させて頂きまして、
理解できました。

偶然の発見ではなく、必然の発見…
他の物質も変化するから、二酸化炭素も同じ様に実験しておこう(科学者として)
という事で実験してみたら、固体になりました。
そしたら、昇華するし気化熱が大きいし、これは冷却に使えるぞ！という事で商品化。
という事なのですね。

親の私自身がスッキリしました。
息子は
誰があんな特別なものを発見したのか？
はじめは何が目的で二酸化炭素を液体や固体にしようと思ったのか…
そのあたりが？？？？だった様ですので、
凄くすっきりする事と思います。

有難うございました！

固体酸素・窒素は…じゃあ何度？とか、作って何に使うの？など…
またま質問攻めになりそうですので、
もう少し大きくなるまで黙っておきます。ありがとうございました。

補足

[昇華やドライアイスの作り方を科学的に理解できるのは、
ちゃんとお勉強してからでないと難しそうだよ。]
という事で納得してくれていたのですが、

（と、申しますか母の理解可能域外だったのですが、こちらで頂戴しましたご回答を咀嚼しながら、もしかしたら上手におおよそを説明してあげられそう…と、勉強中でございます。）

『だったら、誰がそんな難しい事が分からないと作れないドライアイスを作って、物を冷やすのに使えるなんて気がついたの？』

というのが、ドライアイスを見るたびに感じる疑問だった様で、

話してやりましたら、
本当にスッキリ！した様でした。

ドライアイスの書いてある子供向けの本も見たりしておりましたが、
こんな実験楽しいよ。というものばかりで、
『ぼくの知りたいのは実験じゃない！！』
と、ぷんぷんしておりましたもので…。

ありがとうございました！！

回答No.4

kamisenbon

No.2です。

お礼見て気付きました。
溶けると気体になるってことは常圧で昇華する物質を聞いていたのですね。
窒素や酸素は確か昇華はしなかったような気がしますので間違いだと思います。（多分）

申し訳ないです。訂正しておきます。

お礼

いえいえ。わざわざご回答をありがとうございました。
昇華って子供には(私にもですが)「不思議すぎて意味不明～！」なのだそうです。
さて、これからしばらく昇華の理解に入ります…。
ありがとうございました。

回答No.3

CC_T

お、いつもの息子さんですね。あいかわらずいい感性してますねー。
今回の質問も興味を満たすためには、軽く1千文字超えそうです(^^;
ドライアイスの歴史については先に回答が付いているようですので省略。

まず、押さえておかないと行けない知識は、「物質の三態」です。
氷（個相）・水（液相）・水蒸気（気相）の変化の関係を使って４年生の理科で習いますね。

個体では原子や分子の間には互いに引っ張り合う力が働いていて、動きません。
熱というエネルギーを得ると、分子や原子が振動を初め、「引っ張り合う力」を振り切れるくらいの十分なエネルギーを得たら、自由に動き始めます。これが液体の状態。さらに表面張力を振り切れるだけのエネルギーを得たら、空間中を飛び回って動くようになります。これが気体です。

小学生向けには、こちらが分かりやすいようです。
http://www.nekopy.com/studys/rika/santai.html

逆に気体から熱を奪って（冷やして）やると、表面張力や「引っ張り合う力」に打ち勝って動けるだけのエネルギーを失って、液体や個体になります。冷えたジュースコップに水滴が付いたり、雨や雪が降ったりする、これがその原理ですね。

では次～～～

ドライアイスは二酸化炭素の個体です。
その辺に放っておくと、空気などから熱を奪って二酸化炭素の気体になっちゃいます。
二酸化炭素などは表面張力が小さい事もあって、個体から液体の段階を飛ばして気体になりやすいです。

では逆に、ドライアイスを作るにはどうすればいいか。
130気圧もいりません。圧力が１気圧でも-78℃くらいまで二酸化炭素を冷やせば、固化します。
圧力を高くしていくと、高めの温度で液化・固化が始まるようになります。
（物質の三態のグラフが表す事を理解すれば圧力＆温度と状態の関係が分かるのですが…）

なお、空気を冷やしていくと、まず-78℃で二酸化炭素がドライアイスとなり、その次に-183℃で酸素が液化し、-185℃でアルゴンが液化し、-196℃で窒素が液化し・・・といった感じで、物質によって液化する温度が違います。この温度の違いによって空気から目的の物質だけを取り出すことができます。
このへんに出て来るかな。
　http://science.wao.ne.jp/extra/index1001.html
ただ、空気には二酸化炭素はあまり含まれていませんので、工業的に作るときには石油を精製する時に出る二酸化炭素を回収し、圧縮したガスを冷やして液化炭酸ガスを分離して利用しています。水素やヘリウムも、石油や天然ガスを精製する時の副産物に多く含まれるため、そこで回収して同じように冷却分離して利用しています。

例えば、冷凍食品を買ったとき、「粉末ドライアイス」を袋に入れてくれるサービスをしているところ、近くに無いですかね。ショッピングセンターなどではこのサービスをしている事が多いのですが・・・。
粉末ドライアイスの作り方は、ボンベから「液体」の二酸化炭素を空中に噴射するだけなんですね。
　http://www2.nhk.or.jp/school/movie/clip.cgi?das_id=D0005401329_00000&p=box
ボンベには６気圧ほどの圧力がかかった液化炭酸ガス（液体の二酸化炭素）が入っています。これが大気中に放出されて圧力が下がると蒸発し、周りから熱を奪います。で、更に後から出てきた液体の二酸化炭素は周りから熱を奪うどころか、先に出た分が蒸発して周囲の温度が下がってしまっているため、逆に「冷やされて」個体になっちゃうんですね。これが粉末ドライアイスです。集めて押し固めたら、立派な個体のドライアイスの出来上がりです。

＞固体の時は凄く冷たくて、溶けると気体になっちゃうっていう物質は、
「個体の時に冷たい」だけじゃないんです。個体から気体になるときに周りから熱を貰うから、周りをもっと冷たくするんですね。
個体から液体にならずそのまま気体になる事を「昇華」と言います。１気圧の条件で昇華をするものは、二酸化炭素以外にもヨウ素、ナフタレン（防虫剤の材料）が知られていますが、ヨウ素やナフタレンは非常にゆっくりと昇華（蒸発）するので、周りから一気に熱を奪うってことが無いのですね。

もう一つ例を挙げると、減圧下では例えば氷でも水にならず、氷から直接水蒸気へと昇華します。
これを利用したのがフリーズドライ食品。水やお湯に浸すと元に戻るってもの。
あれは一旦凍らせた食材を減圧することで、氷を昇華させて水分を抜いてしまっているんです。
粒の大きなインスタントコーヒーもそうやって作ってますし、非常食や登山用食品にもあります。科学館などではフリーズドライのアイスクリーム（宇宙食）が買えたりしますね。
http://www.agf.co.jp/enjoy/cyclopedia/flow/manufacture_02.html
http://www.cosmosfoods.co.jp/freezedry/whats.html

～～～
以上、１千字どころか2千字超えましたね。
・・・たぶん今回の回答を見ると、今度は冷やす技術（冷凍）に興味を持つかもしれません。
それも物質の三態を利用した技術です。
端的に書けば「ガスを圧縮した状態で冷やして高圧のまま液化し、高圧の液化ガスを圧力の低い所に噴射して蒸発させて周囲から熱を奪う」って技術ですが、これも千文字超えの内容ですね(^^;

お礼

いつも丁寧なご回答をありがとうございます。

ご解説とリンクを辿りながら少しずつ理解しております。
母の私が頭を整理した後、今週末にでも、動画をみせながら、上手に解説してあげられればと思っております。

有難うございました。

息子は
[ドライアイスが分かるにはすごく難しい知識が必要]という事は納得していたのですが、
『じゃあ、そんなに難しい事がわからないと作れないドライアイスを、誰がどうやって、物を冷やすのに氷より便利だよ！と気がついたのか？』
が不思議な様でした。

CC_T 様から頂戴しましたこのご回答で、
あ～でもない・こ～でもないと言いながら動画をみたり、また手持ちの本を引っ張りだしたりと、少なくとも１～２週間は楽しませて頂ける事と思います。

有難うございました。
とり急ぎお礼まで

回答No.1

150715

「自分で調べてごらん」⇒図書館に通う
「別のものを作ろうとしたり、研究しているときに偶然できる場合がある」
もしくは、
「あなた（息子さん）は、友達にわからない事を何度も質問されて答えられるの？」
と、諭す。

お礼

ご助言ありがとうございました。

まさに…150715様のご回答と全く同じ台詞を何度言い聞かせた事か…。
小さな頃は、もう母の私は何度も切れておりました。
こんな子ですと、質問内容以前にどんな子育をしているのか？
このお母さん大丈夫？と、気になられてしまいますよね…。
お恥ずかしい限りです。

最近は(知恵がついて)
「ＯＫwaveの親切なおじさんたちに教えてもらって！」と。
（勝手に男性・しかもパパぐらいの歳の方たちと思っている様です）
なかなかよそ様のお子様の様に聞き分けの良いお利口さんには成長してくれません。
調べるというレベルではないとは思いますが、
本人なりにあっちこっち本を引っ張り出したりしています。

この親子では、どうにもお手上げ。
と言う時にご質問させて頂いておりますもので、
またご質問させて頂きました折には、何卒温かい目で見てやってくださいませ。
よろしくお願いいたします。