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理系男子の流儀」管理人の「やな」です。化学製品の研究開発に従事しております。

最近Twitter上で「炭酸飲料を冷凍庫で凍らせたら爆発した!」というような報告が見受けられました。連日猛暑が続いており、冷えた炭酸飲料が飲みたくなりこのような行動に至ったのだと推察されますが、冷凍庫で炭酸飲料を冷凍するのは破裂するためNGです。今回は、この理由について、科学的(化学的)観点からご説明いたします。前半は万人向けのやさしい解説、後半は理系向けの少し詳しい解説です。





炭酸飲料を冷凍庫で凍らせると発生する事象

※Twitter社より引用

■ コーラ(容器:缶)を冷凍庫で凍らせた場合


■ スパークリングワイン(容器:ビン)を冷凍庫で凍らせた場合


上記の通り、容器が破裂し内容物が散乱しています。
破裂する炭酸飲料は以下のようなものが例として挙げられます。
  • コーラ、サイダー等
  • スパークリングワイン
  • ビール
また、容器は以下のいずれでも破裂する可能性があります。
  • ペットボトル
  • ビン




なぜ炭酸飲料を冷凍すると破裂するか

理由を端的に述べると、
炭酸飲料が冷凍されると容器の内圧が上がるため破裂する。」となります。

炭酸水のイラスト


さらに詳細な解説をします。
破裂する程まで容器の内圧が上がる推定要因は次の通りです。

■要因① 「水の凝固による体積膨張」

炭酸飲料の主成分のひとつに水があります。
水 H2Oは、液体状態から固体状態になる(=凍る)と体積が増加する(※1)ことが一般的に知られています。水(液体)の比重が1のとき、氷(固体)の比重は約0.9168とされているので、水が氷になると体積は約1.09倍(= 1 / 0.9168) 増加します。

例えば、500mlの飲料を凍らせた場合は545ml (500ml×1.09)まで体積容量が増えます。容器の余裕体積が小さく満杯まで飲料が入ってる場合は、この要因①だけで破裂する可能性があります。よって、条件によっては炭酸飲料に限らず、破裂する場合があると考えられます。


■要因② 「二酸化炭素の脱気による体積膨張」

炭酸飲料はその名の通り、水 H2Oに「炭酸ガス (=二酸化炭素) CO2」が溶け込んでいます(※3)。液体状態の水には二酸化炭素が溶存することができるのですが、固体状態の氷には二酸化炭素は溶存することはできません(※4)。

よって、炭酸飲料を凍らせると、水に溶けていた二酸化炭素がガス化して追い出されます(=脱気)。溶存していた二酸化炭素が脱気して気体状態になると、体積が増加するため、容器内の圧力が増加します。そして、容器が耐えられる圧力を、内圧が上回ったときに破裂します。


以上のように、炭酸飲料が冷凍されると、要因①と要因②により、
容器の内圧が上がることが原因で破裂する。」と考えられます。





炭酸飲料を破裂させず冷凍する方法

研究開発に言えることですが、原因がわかれば対策を考えることができます。今回は、容器内の内圧の上昇が原因だと推定したので、以下のような対策が挙げられます。
  • 容器を開封した状態で炭酸飲料を冷凍する
    → ペットボトルのキャップ、ビンの栓、缶の飲み口を開けることで、容器の内圧上昇を抑制
  • 内容量を減らした状態で炭酸飲料を冷凍する
    → 飲料の体積膨張分(全容量の約10%)を予め飲むことで、要因①と要因②の両方の対策が可能
冷たいペットボトル飲料のイラスト

例えば、500mlペットボトルの場合は、予め50ml (= 500ml×10%)を飲んでから、フタを開けた状態で冷凍庫に入れれば破裂する可能性は低いと考えられます。ただし、炭酸ガスは抜けるため、美味しくないかもしれません。





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