在熱水裡加鹽,真的會比較快煮滾嗎?
― 沸點其實會上升約0.2℃
煮義大利麵時,你是否聽過「加鹽會比較快滾」這種說法?仔細查證後會發現,事實幾乎相反。鹽只會把水的沸點稍微往上推。加鹽那一瞬間泡泡猛然冒出,並不是因為沸騰提早發生。
你在大鍋裡燒水,準備煮義大利麵。鍋底剛開始冒出小泡泡時,你抓了一把鹽丟進去。
那一瞬間,泡泡「唰」地一下大量冒出。看起來就像鹽按下了開關,讓水開始沸騰。
這時你會忍不住想「果然加鹽會比較快滾」。但如果放支溫度計測一測,看到的景象會完全不同。
「比較快滾」是誤解,理由有兩個
水裡一旦溶進東西,水分子就比較不容易飛到空氣中。因此需要更高的溫度才能沸騰。鹽濃度1%時,沸點約上升0.2℃。
熱水裡蓄積著許多快要變成氣泡的空氣與水蒸氣。凹凸不平的鹽粒成為這些氣泡的「起點」,讓泡泡一口氣冒出來。
換句話說,鹽非但不會讓水更快滾,反而稍微延後了沸騰。不過差距小到不到1秒。我們依序來看看。
理由1:溶進去的東西,會妨礙水分子「飛出去」
熱水表面,水分子不斷地往空氣中飛出,這就是水蒸氣的來源。溫度愈高,飛出去的勢頭就愈強。
當這股勢頭與上方空氣的重量互相平衡時的溫度,就是「沸點」。一般氣壓下是100℃。
這時如果把鹽溶進水裡,鹽粒會鑽進水分子之間。表面上水分子所佔的比例減少,飛出去的勢頭也就稍微變弱。要恢復同樣的勢頭,就必須再升高一點溫度。
請看圖1左側。純水在100℃沸騰。溶了1%鹽的水,要升到約100.2℃才會沸騰。
理由2:鹽粒成為氣泡的「立足點」
那麼,那聲「唰」到底是什麼?接近沸騰的熱水裡,蓄積著大量溶解的空氣,以及快要變成氣泡的水蒸氣。
然而氣泡有個特性:很難憑空從水中誕生。因為太小的氣泡會被周圍的水壓垮。氣泡要成長,需要細小縫隙或凹凸不平之類的「立足點」。
如圖1右側所示,鹽粒表面凹凸不平,縫隙中也含有空氣。這裡成了立足點,讓原本蓄勢待發的氣泡一口氣長大,這就是「唰」一聲的真相。
而且鹽溶於水時,還會從周圍吸收一點熱量。加鹽的那一瞬間,熱水其實稍微變冷了。
義大利麵加鹽的真正目的,是讓麵條本身帶有鹹味。煮好後才灑鹽,味道進不到麵條裡面。加鹽不是為了「快點滾」,而是為了「更好吃」的一道工序。
在快要滾沸的熱水裡一次倒入大量鹽巴,泡泡可能瞬間大量冒出,濺出水花。把臉和手離鍋子遠一點,分次少量加入會比較安心。
總結
加鹽會讓水的沸點稍微上升,溶解時也會讓水稍微變冷。這兩者都是讓沸騰延後的方向,只是差距非常小。加鹽那一瞬間「唰」的一聲,只是鹽粒成了氣泡的立足點,並不是沸騰提早的訊號。
鹽不是讓水快點滾的魔法。
它只是給了泡泡一個「冒出來的契機」。
溶質改變水的性質,還有其他例子。在冰塊上灑鹽,反而會讓溫度降到0℃以下(在冰塊上灑鹽,為什麼會比0℃還冷?)。這兩者都是由「溶解的粒子數量」決定,屬於同一種根本現象。
- 用同一個鍋子、同樣分量的水、同樣的火力,分別燒一次不加鹽和加鹽的水,比較滾沸所需的時間。差距應該幾乎測不出來。
- 在快要滾沸前的熱水裡,改放一小撮砂糖試試看。同樣會「唰」一聲冒出泡泡。這證明就算不是鹽,只要是粗糙的顆粒都能當立足點。
- 如果有料理用溫度計,可以在加鹽前後分別測量正在滾沸的熱水溫度。
※因為要處理熱水,請務必請大人陪同進行。家用溫度計通常讀不出0.2℃的差距,只要能確認「幾乎沒變化」就足夠了。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目,明確標示每部分屬於哪個程度
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「化學」課程範圍
- 高中+高中進階,或教科書專欄等級的內容
- 大學高中不會教,屬於大學專業科目(物理化學、熱力學)的內容
- 研究中即使在大學也不會當成「定論」教授,是研究者正在探究中的內容
國中用語:這個現象是有名字的
- 沸點:液體內部也劇烈冒出氣泡、發生沸騰的溫度。水在一般氣壓下是100℃。
- 沸點上升:水中溶入鹽或砂糖等物質後,沸點上升的現象。
- 水溶液:物質溶於水形成的液體。鹽水就是食鹽的水溶液。
國中高中用算式驗證:鹽1%時,沸點會上升多少?
計算在1公升水(約1公斤)中溶入10克食鹽(約1%)的情況。沸點上升多少,幾乎只取決於溶解的粒子數量,與溶了什麼東西關係不大。
| 用符號寫 | ΔT = i × Kb × m |
| 用文字寫 | 沸點上升幅度 = 1個分子解離出的粒子數 × 由水決定的常數 × 每公斤水中溶入的量(莫耳) |
| 公式的由來 | 因為溶質使水分子的蒸發勢頭(蒸氣壓)下降,與氣壓平衡的溫度就會往上偏移。在稀薄溶液中,這個「偏移量」與粒子數成正比,就是這樣的關係。 |
| 符號 ΔT | 沸點上升幅度(單位為℃) |
| 符號 Kb(水的莫耳沸點上升常數) | 約 0.52 ℃・kg/mol |
| 符號 i(1個食鹽分子在水中解離出的粒子數) | 一般視為鈉離子與氯離子共2個(理想情況) |
| 符號 m(每公斤水中溶入的量) | 單位為 mol/kg |
| 食鹽 1 mol 的重量 | 約 58.44 g |
| 升溫1℃所需的熱量(水1kg) | 約 4190 J |
| 食鹽10克是多少莫耳?(因為是水1kg,所以 m 也等於此值) | 10 ÷ 58.44 ≒ 0.171 |
| 換算成解離後的粒子數(i × m) | 0.171 × 2 = 0.342 |
| 沸點上升幅度 ΔT(℃) | 0.342 × 0.52 ≒ 0.18 |
| 多加熱這0.18℃所需的熱量(J) | 4190 × 0.18 ≒ 754 |
| 若以1000W的熱量傳入水中,所需秒數 | 754 ÷ 1000 ≒ 0.75 |
沸點約上升0.18℃,因此沸騰時間會延後約0.75秒。非但不是「比較快滾」,反而稍微變慢。不過鍋蓋有無、火力大小造成的差異遠大於此,在廚房裡會被誤差淹沒。順帶一提,海水(鹽分約3.5%)的沸點據說約上升0.6℃。
高中高中+溶解時的熱量與導熱難易度的變化
高中食鹽溶於水時會吸收熱量(吸熱)。其量約為每莫耳3.9千焦耳。食鹽10克(約0.17莫耳)約為0.66千焦耳,足以讓1公斤水降溫約0.16℃。加鹽的那一瞬間,熱水非但沒有變熱,反而稍微變冷。
高中+另一方面,鹽水的「導熱難易度」(比熱)據說比純水略小。用同樣的火加熱,溫度上升的速度會稍微快一點。把這個效應與沸點上升相抵消後,在1%左右的鹽濃度下幾乎互相抵銷,沸騰所需時間大致不變。
大學拉午耳定律與依數性
沸點上升的原理,是結合稀薄溶液中溶劑蒸氣壓與溶劑莫耳分率成正比下降的拉午耳定律,以及克勞修斯-克拉佩龍方程式推導而來。莫耳沸點上升常數 Kb,可由水的沸點與蒸發熱計算得出。只取決於溶解粒子數量的性質稱為依數性,凝固點下降與滲透壓也屬於同類現象。實際的食鹽水中,由於離子之間會互相吸引,i 值會略小於2,以凡特荷夫係數的形式實測得出。氣泡需要立足點的現象,則以非均質成核的概念來處理。
📖 公式推導及更進階的內容:沸點上升(維基百科,日文) / 依數性(維基百科,日文)
研究中目前尚未完全釐清的部分
- 氣泡的「第一顆」在哪裡誕生? 氣泡究竟從容器上的哪個刮痕或縫隙長大,取決於表面細微的形狀與蓄積的空氣量。要精確預測沸騰的起始點,至今仍是難題。
- 高濃度鹽水的精確行為。 鹽濃度愈高,離子之間的相互影響就愈強,會偏離簡單的公式。能精密描述這種偏差的模型,至今仍在改良中。
- 沸騰過程中的傳熱方式。 氣泡以多大的尺寸脫離、能帶走多少熱量,據信會受鹽等溶質影響。這與發電廠等設施的設計也有關,因此正被深入研究。
也就是說,本文的內容也是「目前已知範圍內的說明」。不過「鹽1%時沸點約上升0.2℃」這個數值本身,是長久以來反覆驗證的結果。
與教科書的對應關係(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化一年級「水溶液」「狀態變化與沸點」 | 沸點、鹽的溶解 |
| 高中 | 化學「溶液的性質(沸點上升)」「溶解熱」 | 用算式驗證、溶解時的吸熱 |
| 高中+ | 化學・物理進階「比熱與導熱難易度」 | 相抵後幾乎不變的討論 |
| 大學 | 物理化學「拉午耳定律」「依數性」、傳熱工程「沸騰與成核」 | 大學章節 |
| 研究中 | 沸騰熱傳、濃厚電解質溶液 | 尚未釐清的部分 |
| ― | 與生活的連結 | 料理加鹽是為了調味。往熱水加鹽時要離遠一點、少量分次加入 |
- 日本文部科學省審定教科書『化學』(溶液的性質:沸點上升與凝固點下降)
- 日本化學會 編『化學便覽 基礎篇』丸善出版(Chemical Society of Japan「化学便覧 基礎編」,森ル出版株式会社/莫耳沸點上升常數・溶解熱數值)
- P. W. Atkins, J. de Paula『Atkins' Physical Chemistry』東京化學同人(東京化学同人,依數性・拉午耳定律)
- 沸點上升 - 維基百科(日文)
※本文為大眾科普解說。文中數值僅為理解原理所用的參考估算值。涉及熱水的觀察實驗,請務必由大人陪同進行。