冷凍庫做的冰塊，為什麼只有中間會變白、變混濁？
― 溶在水裡的空氣，被逼到最後才結凍的地方
仔細看製冰盒裡的冰塊，周圍是透明的，只有中間一團白霧。那片白色不是髒東西，而是原本溶在水裡、肉眼看不見的空氣。冰在結凍時不肯接納空氣，從外側一路往內長。無處可去的空氣聚集到中心，變成細小的氣泡被關了起來。
把冷凍庫的冰塊放進冰涼的麥茶裡。杯子裡，冰塊中間浮著一團白色的芯。
可是店裡賣的袋裝冰塊，或咖啡店用的大冰塊，連中心都清澈透明。明明都是把水凍起來，差別在哪裡呢？
而且家裡的冰塊，外側幾公釐也是透明的。混濁的，永遠只有中間。
只有中間混濁，原因只有兩個
水裡溶有少量空氣。但水變成冰時，排列整齊的冰結晶裡沒有空氣可以待的位置。空氣會被擠向還沒結凍的水。
製冰盒的上方、下方和側面，都被冰冷的空氣包圍。冰從四周開始長，最後還剩水的地方是中心。被擠出來的空氣，就被逼到那裡。
水能溶解的空氣量有上限。剩下的水越少，空氣就越濃，最後再也溶不下。溢出來的空氣變成細小的氣泡，就這樣被凍住。這就是白色混濁的真面目。
冰長得越多，剩下的水裡空氣越濃
據說每 1 公升自來水，大約溶有 20 毫升的空氣。氣泡雖然看不見，但空氣分子其實混在水分子的縫隙之間。
水開始結凍時，冰結晶只由水分子規則地組成。空氣分子被擠出去，轉移到緊鄰的水裡。空氣的量沒有減少，水卻越來越少，所以剩下的水裡，空氣越來越濃。
請看圖 1。用滑桿改變「凍了多少」，中心剩下的水會變小，右邊的長條就會變長。當長條超過虛線（能溶解的上限），空氣就只能以氣泡的形式跑出來。
經過計算，如果凍的是自來水，大約凍到三分之一時，剩下的水就再也溶不下空氣了（數字會在最後的摺疊區確認）。從那之後，每多凍一點，氣泡就多一點。外側幾公釐之所以透明，是因為那是剛開始結凍、空氣還沒變濃時形成的部分。
白色的芯裡，除了空氣，還聚集了水中的「礦物質」
自來水裡也溶有少量鈣等礦物質。它們和空氣一樣，進不了冰的結晶。越靠近最後結凍的中心就越濃，有時會留下白色粉末般的紋路。
另一個因素是結凍的速度。家用冷凍庫溫度很低，冰長得很快。冰的生長面推進得快，被擠出來的空氣還沒來得及跑遠就被追上，氣泡當場被抓住。有時能看到從中心往外呈放射狀的細長氣泡紋路，就是這個緣故。
據說製冰廠會把水裝進大冰模，花大約 2 天慢慢凍結。有些還會一邊攪動水一邊結凍，並把空氣和礦物質變濃的最後一部分水抽掉。也就是在空氣被關進冰裡之前，先把它沖走、趕出去。
在家怎麼做出透明冰塊？改變結凍的方向就行
懂了道理，在家也能下點工夫。只要讓空氣最後聚集的地方從「中間」變成「底部」就可以了。如圖 2 的右邊，把裝了水的容器放進保麗龍盒之類的容器裡，不蓋蓋子，直接放進冷凍庫。側面和底部有隔熱，水就只會從上表面開始，往下結凍。
在整個凍到底之前就取出來，把混濁的下半部切掉，就能得到只有透明的冰。也常有人介紹用煮沸後放涼的水。空氣會少一些，所以有效果，但放涼的過程中空氣又會溶回去，光靠這招不一定能讓整塊都透明。真正有影響的，是「結凍的方向」和「結凍的速度」，而不是水的種類。
總結
水裡溶有看不見的空氣。冰不把空氣收進結晶，在冷凍庫裡從外側往內長。被擠出來的空氣累積在剩下的水裡，溶不下的部分變成氣泡，被關在最後結凍的中間。只要讓結凍的方向統一，就能改變空氣的去處。
白色的芯，不是水髒了，而是「無處可去的空氣」。
冰在結凍的同時，也把水變乾淨了。
冰塊放進飲料時「啪嚓啪嚓」的聲音是怎麼來的，請看冷凍庫的冰塊放進飲料裡，為什麼會啪嚓啪嚓裂開？。至於透明的冰敲碎後為什麼看起來是白的，請看冰明明是透明的，雪為什麼看起來是白的？。
- 把同樣的自來水，分別倒進製冰盒和一個小塑膠杯。杯子放進保麗龍盒（或用毛巾包好幾層的盒子）裡，只把上面開著。
- 兩個都放進冷凍庫，放半天到一天。杯子要不時看一下，在凍到底之前取出來。
- 把兩塊冰拿到光下，比較白色混濁在哪裡。製冰盒的冰應該是混濁在中間，杯子的冰則是混濁偏向底部。
把製冰盒的冰塊浮在水裡慢慢融化，還能看到小氣泡從白色的芯冒出來。你可以親眼確認，被關在裡面的就是空氣。
想知道更多的人 ― 用語・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業課程，明確標示每一段屬於哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「化學」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業課程（材料工程、晶體成長學）的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教，是目前研究者還在探究的話題
國中用語：這個現象是有名字的
- 氣體溶解度：水最多能溶解多少氣體的上限。水溫越低，能溶解得越多。
- 飽和：再也溶不下的狀態。超過飽和的部分，會以氣泡或結晶的形式出現。
- 凝固：液體變成固體。以水來說，就是結凍。
國中高中用算式確認：一個冰塊裡，空氣什麼時候溢出來？
假設冰完全不收進空氣，那麼空氣的量不變，只有水在減少。從這個簡單的想法，來估算氣泡開始出現的時間點，以及最後被逼到一起的空氣量。
| 用符號寫 | C ＝ C₀ ÷ (1 − f) （C ＞ C限界 時會出現氣泡） |
| 用文字寫 | 剩下的水中空氣的濃度 ＝ 最初的濃度 ÷ 還沒結凍的比例 |
| 這個式子從哪來 | 空氣量守恆。冰不收進空氣，所以空氣的量不變，只有水的量變成 (1 − f) 倍。能溶解的上限 C限界 由亨利定律決定（溫度越低越大）。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| C₀ | 結凍前水中溶解空氣的濃度（每 1 公升水的毫升數） |
| f | 已結凍的比例（0〜1。0.6 代表 6 成是冰） |
| C | 還沒結凍的水中溶解空氣的濃度（單位與 C₀ 相同） |
| C限界 | 0℃ 的水能溶解的空氣濃度（單位與 C₀ 相同） |
| 20℃ 的水 1 公升中溶解的空氣（C₀） | 據說約 19 mL |
| 0℃ 的水 1 公升能溶解的空氣（C限界） | 據說約 29 mL |
| 製冰盒一個冰塊的水量 | 約 30 mL（0.03 L） |
| 白色混濁中一個氣泡的直徑（參考值） | 約 0.1 mm，體積約 0.00052 立方毫米 |
| 一個冰塊的水中溶解的空氣 | 19 × 0.03 ＝ 0.57 mL |
| 氣泡開始出現的濃度（最初的幾倍） | 29 ÷ 19 ≒ 1.53 倍 |
| 那時「還沒結凍的比例」 | 1 ÷ 1.53 ≒ 0.65 |
| 到氣泡開始出現時已結凍的比例 | 1 − 0.65 ＝ 0.35 |
| 凍到 9 成時的濃度（剩下的比例是 0.1） | 1 ÷ 0.1 ＝ 10 倍 |
| 最後 1 成（3 mL）能溶解的空氣 | 29 × 0.003 ≒ 0.087 mL |
| 溶不下而變成氣泡的空氣 | 0.57 − 0.087 ≒ 0.48 mL |
| 把 0.48 mL 換算成立方毫米 | 0.48 × 1000 ＝ 480 |
| 變成直徑 0.1 mm 的氣泡會有幾個 | 480 ÷ 0.00052 ≒ 920000 個 |
依簡單的估算，冰凍到大約三分之一時（已凍比例 0.35），剩下的水就溶不下空氣了。凍到 9 成時，空氣的濃度是最初的 10 倍。被逼到一個冰塊中心的空氣約有 0.5 毫升，若變成細小的氣泡，會有幾十萬到將近一百萬個。這麼多氣泡把光線朝各個方向反射，所以芯看起來是白的。實際上也有空氣會從表面逃走，所以這是接近上限的參考值。
高中高中＋氣體的溶解難易，與結凍時的「篩選」
高中高中化學的亨利定律指出，在一定溫度下，溶入水中的氣體量與該氣體的壓力（分壓）成正比。比例係數會隨溫度改變，越冷的水能溶解的越多。把 20℃ 的自來水冷到 0℃，一開始不會冒出氣泡，就是這個緣故。因為離上限還有餘裕，所以在凍到大約三分之一之前，空氣都還能留在水裡。
高中＋溶在水裡的東西進不了冰，這個性質不只限於空氣。鹽分和礦物質也一樣，海水結凍形成的海冰，鹽分比原本的海水少得多。從結凍部分被擠出來的濃鹽水，會順著冰的縫隙往下流走。結凍同時也扮演著自然「過濾」的角色。
大學偏析、謝爾方程式與區域熔煉法
凝固時，溶在液體裡的東西被擠向液體一側的現象，在材料工程中稱為偏析。進入固體與液體的濃度之比叫平衡分配係數，空氣和冰的組合中這個值幾乎是 0。液體混合得均勻時，剩下液體的濃度可以用謝爾方程式（Scheil equation）表示。把分配係數設為 0，就會直接得到上面的「濃度 ＝ 最初 ÷ 剩下的比例」。反過來利用這個性質，讓熔化的區帶從棒的一端反覆移動到另一端，把雜質集中到一側，這就是區域熔煉法（zone melting），一直被用來純化半導體用的高純度材料。另外，冰的生長面會把氣泡「推開」還是「吞進去」，據說取決於生長面推進的速度，這在研究中稱為凝固界面上的氣泡捕獲。
📖 算式的推導與更進階的內容：亨利定律（維基百科） ／ 區域熔煉法（維基百科）
研究還沒完全弄清楚的事
- 氣泡排列的紋路是怎麼決定的？冰裡的氣泡有時會形成條狀或層狀等規則的紋路。結凍速度、空氣濃度和氣泡生成方式如何組合出紋路，據說連細節都還沒能完全說明。
- 氣泡最初出現的契機。就算計算上超過了上限，氣泡也不一定馬上產生。濃度要多高才會開始生成氣泡，容器壁上細微的刮痕有什麼影響，會隨條件大幅改變。
- 被關在南極冰裡的空氣。南極冰層的冰裡，以氣泡的形式封存著古代的大氣，是了解過去氣候的線索。那是由雪被壓實這種不同的機制形成的，但氣泡在冰裡如何變化，至今仍在研究中。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。就連家裡冷凍庫發生的小小現象，也還留有沒能釐清的部分。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化 一年級「水溶液」「狀態變化」 | 空氣溶在水裡，結凍時溶解物會被擠出去 |
| 高中 | 化學「氣體溶解度・亨利定律」 | 越冷的水能溶解越多空氣，以及氣泡開始出現時間點的計算 |
| 高中＋ | 化學進階「凝固與純度」 | 海冰的鹽分很少，結凍造成的篩選 |
| 大學 | 材料工程・晶體成長學 | 偏析、平衡分配係數、謝爾方程式、區域熔煉法 |
| 研究 | 凝固界面上的氣泡捕獲 | 氣泡紋路的決定方式、氣泡產生的契機、冰層中的氣泡 |
| ― | 與生活的連結 | 在家做出透明冰塊的工夫（單一方向、慢慢結凍） |
- 日本化學會（日本化学会）編《化學便覽 基礎篇》（化学便覧 基礎編），丸善出版（氣體在水中的溶解度）
- Hobbs, P. V. "Ice Physics", Oxford University Press, 1974
- Carte, A. E. "Air bubbles in ice", Proceedings of the Physical Society, 77, 1961
- 維基百科「亨利定律」（ウィキペディア「ヘンリーの法則」）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了理解原理而給的參考值與概算。水中溶解空氣的量，會因水溫和自來水的水質而不同。