イタリアのジェラートのスクープがほとんど液体のようであるのに、なぜ角氷は固いのですか? 「単純な」アイスキャンディーでさえ、純粋な水のアイス キューブほど硬くはありません。代わりに、非常に簡単に噛むことができます。面白くないですか?
カスタードを含む非常に複雑なアイスクリーム、材料が 2 つだけの非常にシンプルなアイスクリーム、またはイタリアン スタイルのセミフレッドなど、すでにかなり多くのアイスクリームを作っています。いずれの場合も、アイスクリームが堅固にならなかったことは当然のことと考えています。その一部は、空気の導入によるものです。アイスクリームは、ホイップクリームを組み込むことによって、またはアイスクリームマシンの継続的な攪拌のおかげで、風通しの良いものになりました.しかし、空気を入れるだけではうまくいきません。純粋なホイップ クリームを冷凍しても、しっかりした氷のような構造になります。
砂糖 (またはアルコール) の重要性と凝固点降下と呼ばれる現象が登場します!
凝固点降下とは?
凝固点降下とは、2 つの成分の混合物の凝固点が個々の成分の凝固点よりも低いことを言います。これには、溶媒 (水など) と、溶媒と混合する溶質が含まれます。
日常生活におけるこの現象の非常に一般的な例は、水中の道路の塩漬けです。純水は0℃で凍ります。ただし、塩を混ぜると、この水と塩の混合物の凝固点はゼロよりもかなり低くなります。これが、道路が凍結しないようにするために塩が使用される理由です。氷点下の気温でも道路に氷のシートはありません。
では、溶媒に何か他のものを溶かすと、なぜ凝固点が変化するのでしょうか?純粋な水 (またはその他の溶媒) しかない場合、これらの水分子はしっかりと組織化されます。温度が下がり、水が凍ると、それらは互いに素敵な結晶を形成します (相転移について詳しくはこちらをご覧ください)。しかし、溶質 (塩や砂糖など) を混ぜると、この規則正しい構造が崩れます。代わりに、それらはより低い温度でこれらの結晶を形成するだけかもしれません.これは凝固点降下のために起こることです.
アイスクリームの凝固点降下
アイスクリームでは、アイスクリーム内の水の凝固点が変更されます。水は、使用する牛乳やクリームのほとんどを構成するため、ほとんどのアイスクリームの主成分です。凝固点は主に砂糖の添加によって低下します。砂糖は水に溶け、結晶の形成を妨げます。
アイスクリームの脂肪が凝固点に影響を与えることも期待できます.しかし、そうではありません。水と油は混ざらず、小さな油の泡がアイスクリームの中に浮いていますが、砂糖のように干渉することはありません.
アルコールとアイスクリーム
さまざまなレシピで、アルコールはアイスクリームの製造に使用されます。フレーバーとアルコールとは別に、アイスクリームに貢献し、水の凝固点を下げるためにも使用されます!理論的には、砂糖を使わずにアルコールだけでアイスクリームを作ることはできますが、それがおいしいかどうかはわかりません…
凝固点降下の計算
アイスクリーム中の水の凝固点の変化を簡単に計算できます。凝固点降下は、いわゆる集合的特性です。これは、温度降下、つまり凝固点がどれだけ下がるかが、添加された成分の種類である溶質に依存しないことを意味します。代わりに、追加された粒子の数と、それらが追加された溶媒の元の特性のみに依存します.
言い換えれば、10.000 個の糖分子を加えると、これは 10.000 個の塩粒子と同じ効果を凝固点にもたらします。溶質の量が非常に多くなった場合にのみ、溶質の種類が重要になります。
この単純な関係により、凝固点降下は簡単な式で計算できます:
ΔTF =– K
場所:
- ΔTF =°Cでの凍結温度の変化
- K
- m =溶質のモル濃度、つまり溶媒 1 kg あたりの粒子数 (mol/kg)
- i =粒子が溶媒に加えられた後、粒子が 2 つまたは 3 つの部分に分裂する場合、それを考慮に入れる必要がある場合のヴァントホッフ定数。これは塩の場合に最も一般的です。分解されない砂糖などの場合、この定数は 1、塩化ナトリウム (塩) の場合は 2 です。
アイスクリームの凝固点の変化を計算する
バニラアイスクリーム
基本的なバニラアイスクリームの凝固点の変化を見てみましょう.このアイスクリームには、約 600g (大まかな仮定:300 + 0.65* 300 + 4 * 25) の水と 75g の砂糖が含まれています。
- 砂糖が水に溶けると分裂しないため、上記の式の i は 1 であり、水の低温定数の値 (1,853 °C·kg/mol) もわかっています。
- 次に、砂糖の結晶がいくつあるかを知る必要があります。文献から、糖分子 1 モルの重さは 342.3g であることがわかりました。したがって、砂糖 75g は 75 / 342,3 =0,22 mol です。 600g の水があるので、砂糖のモル濃度は 0.22 / 0.60 =0.37 mol/kg です。
数式を入力するだけです:
ΔTF =– K
氷点は1度未満下がりました。これは実際にはほんの少しなので、砂糖を加えることでこのアイスクリームをもっと柔らかくすることができます.
材料2種類のソフトアイスクリーム
これらの計算を練習する別の例を見てみましょう。ここでは、非常に単純な 2 成分のアイスクリームを見てみましょう。このアイスクリームには 245g の水 (0.7 * 230 + 0.55 * 150) と 70g の砂糖 (0.45 * 150) が含まれています。
前の計算と同じ数値を多く使用できますが、この新しいアイスクリーム レシピの砂糖のモル濃度を計算する必要があります。同じ方法を使用すると、70 / 342,3 =0.20 mol および 0.02 / 0.245 =0.83 mol/kg となります。
数式をもう一度入力してみましょう:
ΔTF =-K
相図
この氷点の変化だけでは、まだアイスクリームのすべてを語ることはできません。それは始まりにすぎません。代わりに、これらの新しい温度を取得したら、相図を確認する必要があります。相図では、それぞれの異なる温度でどれだけの氷と液体が存在するかを正確に見ることができます.これは、この投稿には少し深すぎますが、幸いなことに、相図のトピックに関する別の投稿があります。
冷凍フルーツについて
冷凍フルーツは固くないことが多いことに気づいたことがありますか?果実の食感の影響とは別に、これは凝固点降下によるものです。果物にはかなりの糖分が含まれており、水分がすべて凍るのを防ぎます!
詳しい説明のビデオ
より基本的な説明は、カーン アカデミーのこの素晴らしいビデオで見つけることができます。
リソース
凝固点降下の背後にある熱力学の詳細な説明は、UC Davis &Bristol University の Web サイトにあります。
