過飽和溶液と発熱結晶化シミュレーター（酢酸ナトリウムカイロ）Supersaturated Solution & Heat-Releasing Crystallization Simulator (Sodium Acetate Hand Warmer)

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 溶解度より多くの物質が溶けている(過飽和の)水溶液をそのまま置いておくと、結晶は自然に出てくると思いますか。If a solution holds more dissolved substance than its solubility (a supersaturated solution) and you just leave it alone, do you think crystals will appear by themselves?💡 使い捨てでない「カイロ」は、中の金属板をパチンと押すまで液体のままです。何がきっかけになっているでしょうか。A reusable hand warmer stays liquid until you click the metal disc inside. What could be acting as the trigger?
2. 結晶ができ始めたら、溶けていた物質は全部結晶になると思いますか。また、液の温度はどうなると思いますか。Once crystals start to form, do you think all the dissolved substance will turn into crystals? And what do you think will happen to the liquid's temperature?💡 その温度の水 100 g にとけることができる量(溶解度)を思い出しましょう。カイロは何のための道具でしょうか。Recall how much can dissolve in 100 g of water at that temperature (the solubility). And what is a hand warmer used for?

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(過飽和度(飽和比) 1.40 倍、初期液温 30 ℃)で 10 秒ほど何もせずに待ち、左上の表示の「液温」「濃度」「溶解度」「状態」と、「進行」の「放置 ○ s:析出なし」を確認する。In the starting state (Supersaturation ratio 1.40×, Start temperature 30 ℃), wait about 10 seconds without touching anything. Read "Temp", "Conc.", "Solubility" and "State" in the top-left panel, and the "Status" line ("... s, no crystals").
2. 「結晶の種を入れる」を押し(またはビーカーをタップし)、結晶化の波が広がる様子と、温度計・「析出量」「昇温」の数値の変化を観察する。「結晶化終了」になったら最終の液温・濃度・溶解度を記録する。Press "Add a seed crystal" (or tap the beaker). Watch the crystal wave spread and how the thermometer, "Crystals" and "Temp rise" values change. When "Crystallization done" appears, record the final Temp, Conc. and Solubility.
3. 「加熱して溶かし直す(リセット)」を押し、結晶が溶けて透明に戻り、冷えた後も結晶が出てこないことを確かめる。Press "Heat to redissolve (reset)". Check that the crystals dissolve and the liquid turns clear, and that no crystals appear even after it cools back down.
4. 「過飽和度(飽和比)」を 1.70 倍にして種を入れ、最終の液温と析出量を 1.40 倍のときと比べる。Set "Supersaturation ratio" to 1.70× and add a seed. Compare the final temperature and the amount of crystals with the 1.40× run.
5. 「過飽和度(飽和比)」を 1.00 倍にして種を入れ、何が起こるか(起こらないか)を確かめる。Set "Supersaturation ratio" to 1.00× and add a seed. Check what happens (or does not happen).

3確かめようCheck

1. 種を入れる前、過飽和の溶液を放置するとどうなりましたか。Before adding a seed, what happened when the supersaturated solution was left alone?→ 濃度 76.2 g/100g水 が溶解度 54.4 g/100g水 を超えて「過飽和」と表示されていたが、粒子は動き続けるだけで結晶は出ず、ビーカーは透明のままだった(「放置 ○ s:析出なし」)。The concentration (76.2 g/100 g water) was above the solubility (54.4 g/100 g water) and the state was "Supersaturated", but the particles just kept moving, no crystals formed, and the beaker stayed clear ("... s, no crystals").
2. 種を入れると、結晶はどのように広がりましたか。液温はどう変わりましたか。After the seed was added, how did the crystals spread? How did the temperature change?→ 種を入れた所を中心に円い波が数秒かけて広がり、波が通った所の粒子だけが結晶(四角)になった。液温は一瞬ではなく、析出量が増えるのに合わせて 30 ℃ から約 40 ℃ までゆっくり上がった(昇温 約 +10 ℃)。A circular wave spread out from the seed over a few seconds, and only particles the wave had passed became crystals (squares). The temperature did not jump at once; it rose gradually from 30 ℃ to about 40 ℃ as the amount of crystals grew (Temp rise about +10 ℃).
3. 結晶化が終わったとき、溶けている物質は全部結晶になりましたか。濃度と溶解度の関係はどうなっていましたか。When crystallization finished, had all the dissolved substance turned into crystals? How did the concentration compare with the solubility?→ 全部ではなく、析出量は約 10.2 g/100g水 だけで、多くの粒子は液中に残った。濃度は約 65.9 g/100g水 となり、最終液温(約 40 ℃)での溶解度 65.9 g/100g水 と一致し、「状態」は「飽和」になった。No. Only about 10.2 g/100 g water crystallized and many particles stayed in the liquid. The concentration became about 65.9 g/100 g water, equal to the solubility at the final temperature (about 40 ℃), and the state changed to "Saturated".
4. 過飽和度 1.70 倍と 1.00 倍では、それぞれどうなりましたか。What happened at a ratio of 1.70× and at 1.00×?→ 1.70 倍では析出量が約 17.1 g/100g水 に増え、液温は約 47 ℃(昇温 約 +17 ℃)まで上がり、1.40 倍より高くなった。1.00 倍(飽和)では種を入れても「種は成長しません」と表示され、結晶はできず温度も変わらなかった。At 1.70× about 17.1 g/100 g water crystallized and the temperature rose to about 47 ℃ (Temp rise about +17 ℃), higher than at 1.40×. At 1.00× (saturated) the screen said "Seed does not grow": no crystals formed and the temperature did not change.

4考えようThink further

1. 30 ℃ での溶解度との差は 76.2 − 54.4 = 21.8 g/100g水 なのに、実際に出てきた結晶は約 10 g/100g水 でした。なぜ差の分すべてが出てこなかったのでしょうか。The difference from the solubility at 30 ℃ is 76.2 − 54.4 = 21.8 g/100 g water, yet only about 10 g/100 g water actually crystallized. Why didn't the whole difference come out?→ 結晶ができるときに熱が出て液温が約 40 ℃ に上がり、溶解度も 65.9 g/100g水 に大きくなったから。溶解度が上がった分だけ多く溶けたままでいられるので、析出量は「最終液温での溶解度」との差になる。Because crystallization released heat that raised the temperature to about 40 ℃, and the solubility rose to 65.9 g/100 g water. More solute can stay dissolved at the higher solubility, so the amount that crystallizes is the excess over the solubility at the final temperature.
2. 繰り返し使えるカイロは、使った後に熱湯で温めると再び使えるようになります。シミュレーションの結果をもとに、その理由を説明しましょう。A reusable hand warmer can be used again after it is heated in boiling water. Use what you saw in the simulation to explain why.→ 加熱すると溶解度が上がって結晶がすべて溶け、透明な溶液に戻る。その後ゆっくり冷やしても、刺激(種)がなければ結晶は出ず過飽和の状態に戻るので、次に刺激を与えたときにまた結晶化して熱を出せる。Heating raises the solubility so all the crystals dissolve and the liquid becomes clear. When it then cools without any trigger (seed), no crystals form and it becomes supersaturated again, so the next time it is triggered it crystallizes and releases heat again.

よくある誤解Common misconceptions

• 「溶解度を超えたら、すぐに結晶が出てくる」という誤解。過飽和の溶液は、種や衝撃などのきっかけがないと透明なまましばらく保たれることがある。"As soon as the solubility is exceeded, crystals appear." A supersaturated solution can stay clear for a long time until something such as a seed crystal or a shock triggers crystallization.
• 「結晶化が始まると、溶けている物質が全部結晶になる」という誤解。出てくるのは溶解度を超えた分だけで、残りの液はその温度での飽和水溶液になる。"Once crystallization starts, all the dissolved substance turns into crystals." Only the amount above the solubility comes out; the remaining liquid is a saturated solution at that temperature.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)