あんかけやシチューや豆腐で舌をヤケドしそうになる理由【生活の科学】

スープを熱くして飲んでいたら、思ったよりも熱すぎて、口の中を火傷しそうになりました。なぜスプーンの上で十分冷ましたつもりでも意外なほど熱いままなのでしょうか?

いろいろたくさん溶けているから100度以上になっていたせい?それとも、熱容量(比熱)がサラサラの水よりも大きいの?それとも混ざりにくくて外気に触れる外側の部分だけ温度が下がっていて内部は高温のままだから?

実際のところどうなんでしょうか。

「なぜ、あんかけの食べ物は冷めにくいのか」という日常生活の中の単純な疑問を、徹底的に分析し、とてもスッキリした結論を導いた作品である。  本研究では、液体の温度が下がるのは、蒸発熱が奪われることと、熱の対流の作用によることを、最初に突きとめている。その後、片栗粉を溶かしたあんかけが水の蒸発を防ぎ、粘り気が対流を押さえる効果があることを実験を重ね、確認している。(あんかけはなぜ冷めにくいのか?  [審査員] 秋山 仁 審査評 茨城県龍ケ崎市立長山中学校 理科研究生あんかけ班1年 シゼコン自然科学観察コンクール Supported by Olympus)

ホクホクのお芋さんなら熱い熱いと言いながら口の中で転がして冷ますことができますが、トロミのある液体はそうもいかないからというのが下の説明。

とろみのあるものが熱く感じる最大の理由は、熱いと感じたときに、熱いと感じた場所から簡単に移動してくれないからです。口腔内の粘膜への粘着性が高く熱伝達が良い事も災いします。… とろみがあると熱いと感じても口腔内の粘膜に貼り付いて動いてくれません。空気と混ぜようにもとろみが邪魔をして簡単には混ざってくれません。そのため熱いと感じた場所に長時間接触するので火傷にいたることもあります。(とろみのある食べ物はなぜ熱いのですか? 2011/7/12 10:32:44 YAHOO!JAPAN知恵袋)

自分は熱容量が大きいからということかと勝手に思い込んでいたのですが、そうではなかったようです。

水溶液の濃度と熱容量の関係は多くの場合薄い方が熱容量は大きくなります。水の比熱容量と、水に混合する物質の比熱容量との比較になりますが、水はあらゆる物質の中でも特に比熱容量の大きな物質ですから、一般に混合する物質の割合が少ないほうが混合物の比熱容量は大きくなります。… それは一般に冷めにくさを支配するファクタが熱容量にある訳では無いからです。水の対流のしやすさ、水の蒸発のし易さ、の2つが重要なファクタになります。… コンソメよりもポタージュが冷めにくいのは対流し難いため表面だけ冷めても中が冷めないからだし、ラーメンの汁が冷めにくいのは表面を覆う油が水の蒸発を妨げているからです。熱容量はほとんど関係がありません。(2010/5/622:34:22 飲み物の濃さと冷めにくさについて YAHOO!JAPAN知恵袋

熱容量が大きいものが冷めにくいのは、他の条件が同じならそれはそうなのですが、そもそも水の熱容量は大きいほうだということ。温度を1度上げるのに必要な熱量が熱容量で、1gの物質あたりの熱容量が比熱容量または比熱と呼ばれます。水の比熱は、1gの水を1度上げるのに必要な熱量が1カロリーと定義された歴史的な経緯があるので、1cal/g です。ジュールの単位だと、およそ4.2J/g。

  • 比熱が大きい物質ほど温めるのに必要な熱量が多い。温まりにくい。また冷めにくい。
  • 逆に、比熱が小さい物質ほど温まりやすく、冷めやすい。
  • 比熱が大きい物質ほど熱を貯える能力が大きい。温度変化しにくい。

(引用元:http://subsites.icu.ac.jp/people/yoshino/Physicaldata_water.pdfsubsites.icu.ac.jp

上のサイトの比熱の表によれば、海水(3.9%塩溶液)の比熱は0.94 cal/g (3.97 J/g)で、水よりも小さいんですね。engineeringtoolbox.comにある比熱のリストをみると、トマトスープ(Tomato soup, concentrate)は、3.67 kJ/(kgoC) 、つまり3.67J/gなので水よりも小さい値です。熱い豆腐でやけどしそうになることもありますが、豆腐の比熱はどうなの?と思ったら、豆腐の比熱と熱伝導度を測った論文がありました。これを見ると豆腐の比熱も水より小さいようです。

  • Specific heat of the tofu containing moisture content of 0.33–0.68 (wb) was 2.52–3.69 kJ kg−1 K−1 for temperature range of 10–105°C. 
  • Thermal conductivity of the tofu was 0.24–0.42 W m−1 K−1 for moisture content range of 0.34–0.72 and temperature range of 6–74.2°C.

Determination and Modeling of Thermal Properties of Tofu. Oon‐Doo Baik & Gauri S. Mittal. International Journal of Food Properties Pages 9-24 | 06 Feb 2007  https://doi.org/10.1081/JFP-120016621

水の熱伝導率は0.582 W/m・K(引用元)だそうなので、豆腐もさほど変わりません。豆腐を熱く感じる理由としては、熱容量や熱伝導率といった物理的な性質の違いでは説明できなさそうです。ちなみに牛乳の比熱は3.89 J/gなので(Milk, Whole 引用元)、牛乳が思ったより熱かったとしても、やはり比熱や熱容量のせいにはできません。結局、冷ますときには対流や、かき混ぜる行為が重要なのではないかと思います。パソコンで例えれば、ヒートシンクだけでは不十分なら空冷ファンでCPUを冷やす必要があるのと同じことでしょうか。

 

参考

  1. 研究レポート26 キッチンの熱まわりの科学。(主婦と科学。家庭科学総合研究所(カソウケン)ほぼ日出張所)熱容量を説明するのにちょうど良いのが「豆腐」!湯豆腐などが「思いがけず」まだ熱くて舌に火傷をしてしまった経験のある方は多いかと思います。これは、豆腐は熱容量が大きくて冷めにくいからなんです。
  2. 物質の粘度が高くなると、熱移動が悪くなるのでしょうか(技術の森)先の方の回答のように対流は滞ります。あんかけは冷めにくいですよね。
  3. 加熱調理と熱物性(PDF)(日本調理科学会誌 Vol. 46,No. 4,299~303(2013)〔講座〕 杉山久仁子)各成分の比熱を表 3 に示す。この結果から,水の比熱が他の成分の比熱よりも大きく,他の成分間では炭水化物が少し小さい値であるが大きな違いは無く,水分を多く含む食品ほど温まりにくいと判断することができる。
  4. In soup, why do tomatoes retain heat longer than other vegetables? (Ask the Van. Department of Physics University of Illinois at Urbana-Champaign)
  5. 熱伝導のはなし http://kuchem.kyoto-u.ac.jp/ubung/yyosuke/chemmeth/chemmeth.htm
  6. カロリー(ウィキペディア)

 

鉄の酸化反応 使い捨てカイロの科学

使い捨てカイロは袋を開けると発熱が始まります。マイコール株式会社製造(エステー株式会社販売)の「衣類に貼るカイロ 貼るダンダン 12時間」の原材料名を見てみると、鉄粉、水、活性炭、バーミキュライト、塩類、木粉、吸水性樹脂と書いてありました。鉄が酸化されて発熱反応の主役となるのはよいとして、他の成分の役割は何でしょうか?

 

使い捨てカイロの原材料とそれらの役割

原材料名 役 割
鉄 粉 酸化反応により熱を発する主原料
鉄と酸化反応する
塩 類 触媒としての働きをします
酸化反応を進める塩類は自らは変化しない(反応には直接関与しない)が 反応を促進する働きがある。
活性炭 炭素成分が酸化反応を高める
酸素濃度を高めるとともに、電子を仲立ちし、反応を高める働きがあるとされる。
木 粉 保水剤
バーミキュライト
(ヒル石)
保水剤
吸水性樹脂 保水剤

(引用元:マイコール

活性炭は酸素を供給するため、保水材は水を供給するため、塩類は触媒として作用するということでした。水も必要というのは知りませんでしたが、化学反応式を見てみると生成される化合物は酸化鉄Fe2O3(いわゆる、赤さび)ではなくて水酸化第二鉄Fe(OH)3というものでした。鉄の酸化物はいろいろな組成のものがあるしややこしいです。

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使い捨てカイロの鉄の酸化反応式

鉄 4 Fe + 酸素  3 O2 + 水 6 H2O → 水酸化第二鉄 4 Fe(OH)3 + 熱エネルギー384kcal/mol(1612kJ/mol)

  1. カイロのしくみ 桐灰(kiribai.co.jp)

 

使い捨てカイロにおける鉄の酸化物生成

使い捨てカイロで生成される鉄の酸化物。

鉄表面の鉄原子は空気中で水と接すると,電子を失って鉄(Ⅱ)イオンFe2+となり水に溶け出す。失われた電子は水および酸素と反応し,水酸化物イオンOH-となる。生じた鉄(Ⅱ)イオンと水酸化物イオンが反応し水に溶けない水酸化鉄(Ⅱ)Fe(OH)2になる。Fe(OH)2は水と酸素と反応してFe(OH)3になる。さびはFe(OH)3がさらに変化し,Fe2O3・nH2Oになったものである。(edu.pref.kagoshima.jp

  • 水酸化鉄(II)を水酸化鉄(III)にする変化、水酸化鉄(III)を加熱する変化の化学式(YAHOO!JAPAN知恵袋)水溶液中の酸素との反応
    4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 加熱すると脱水して酸化鉄(Ⅲ)になる 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O
  • 使い捨てカイロの発熱反応で出来る酸化鉄はFeOだと思っていたのですが,ネットを跳梁するとFe(OH)₃が正しいとのこと。… 中学レベルだとFeOだと教えているのですが,これは酸化鉄の化学式を複数登場させて混乱させないためにあえて嘘をついているのですか。(YAHOO!JAPAN知恵袋

 

使い捨てカイロを再利用できない?

  1. 同じ使い捨てカイロを何度も使いたい。(教えて!goo 2007/11/03)鉄を還元するためには、高温で水素還元か、CO還元しか無い。素人には無理と考えます。

 

鉄の酸化反応でどれくらい高温になるのか

「貼るダンダン」の袋には、最高温度63度、平均温度53度、持続時間12時間(40度以上を保持し、持続する時間)と書いてあります。使用目的からいって貼るカイロの場合には温度が高くなりすぎると困るのですが、反応のやり方次第でもっと高温が達成できるようです。

  1. ホームメイド使い捨てカイロで温泉卵 (DailyPOrtal Z コネタ227 佐倉 美穂) 最高で85℃を超えた。すごい。

 

使い捨てカイロ商品化の歴史

1975年アメリカ陸軍が使用していたフットウォーマーを元に、旭化成工業が九州でのみ「アッタカサン」を販売。それを原型にして、日本バイオニクスが1978年に開発、ロッテ電子工業が「ホカロン」の商品名で使い捨てカイロを全国発売し、これがヒット商品となって一般に普及した。(使い捨て懐炉とは 59 家政学>598 家庭衛生>使い捨て懐炉 http://windofweef.jp)

 

  

科学教室 使い捨てカイロを作る

  1. 使い捨てカイロを作ってみよう(2017年11月10日 福井大学工学部 国立大学56工学系学部ホームページ)

 

中学校理科実験 使い捨てカイロの化学反応

  1. 中学校2年理科『化学』/takaの授業記録2003です 実験6 使い捨てカイロ(おだやかな酸化)2004年 2月 2日(月)
  2. 化学変化と熱(千葉県教育委員会)化学反応における熱の出入りを扱う実験では,化学カイロの成分である鉄の酸化反応を用いるのが一般的である。鉄粉と活性炭に食塩水があれば 10 分程度で鉄が酸化し,熱が発生する実験であり,原理は簡易なものである。測定した温度変化をグラフに表すと,鉄の酸化が発熱反応であることが実感できる。また,温度が上がってくれば,器具の温度の上昇を体感でき,水蒸気の蒸発が始まると煙も出てくるので,生徒の関心・意欲も高まる実験である。
  3. 使い捨てカイロの仕組を教えるための教材開発(佐藤 博、山主 公彦 教育実践学研究 23, 2018)
  4. 使い捨てカイロの定性分析と定量分析 -発熱量の調節の仕組み- 栃木県那須郡西那須野町立西那須野中学校 矢口 輝夫

 

中学生の自由研究 使い捨てカイロの条件検討

  1. 簡易カイロに関する研究 ~発熱に影響を与える条件について~(PDF) (和歌山県立日高高等学校附属中学校 第3学年) 調べた条件は、・実験Ⅰ(封筒の大きさ)・実験Ⅱ(封筒の材質)・実験Ⅲ(封筒の厚さ)・実験Ⅳ(封筒を振る回数)・実験Ⅴ(水溶液の種類)・実験Ⅵ(塩化ナトリウム水溶液の染み込ませる素材)・実験Ⅶ(わら半紙の大きさ)・実験Ⅷ(わら半紙の枚数)・実験Ⅸ(わら半紙の質量)・実験Ⅹ(鉄粉と活性炭の比率)・実験Ⅺ(塩化ナトリウム水溶液の濃度)である。
  2. めざせエコ化学カイロ ~コーヒーでカイロ?~ (シゼコン自然科学研究コンクール 岐阜県郡上市立西和良中学校2年 第50回入賞作品 中学校の部) 木炭や竹炭を使うと、活性炭よりも温度が上がった。コーヒーの出しがらでも温度が上がったのでびっくりした。実験では温度が60℃以上になるのもあって、手で持てないなど、大変なことが多かった。

 

小学生の自由研究 使い捨てカイロを調べる

  1. 【中学受験に勝つ】夏休み自由研究…理科(3)使い捨てカイロを調べる (2013.8.1 Thu 17:15 resemom.jp) 中学受験専門の個別指導教室 SS-1 副代表 辻義夫先生が勧める理科の自由研究は、受験対策につながり、観察や実験が短時間で終わるものをテーマに選ぶことだという。

 

使い捨てカイロ実験教材市販製品

  • ケニス 鉄粉カイロ製作キット (MONOTARO) 化学変化(化合)を利用した使い捨てカイロをグループで作ることができるキット(15人分)です。鉄粉の酸化反応・化学変化に伴う反応熱の発生について学ぶことができます。

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参考(鉄の酸化反応、使い捨てカイロ、その他の発熱反応など)

  1. 鉄の錆びに凍らない液体…カイロのサイエンスと隠された秘密 2018.11.27 21:00 Discovery
  2. たのしいサイエンス通信 (32)  使い捨てカイロについて(PDF) 2018.01.11 堺市立堺高等学校
  3. 発熱のしくみ 日本カイロ工業会
  4. 『身の回りから見た化学の基礎』芝原寛泰、 後藤景子 温まる弁当 CaO + H2O = Ca(OH)2 +62.5kJ