自制冰淇淋

相变——物质从一种状态转变为另一种状态——在食物和烹饪中无处不在。黄油从固体到液体的相变可以制作出酥脆的派皮，而水从液体到气体的相变可以用来蒸蔬菜。有各种方法可以操纵这些相变，例如通过改变温度、压力或盐含量。在本经典的家庭实验中，我们将使用盐来改变水的相行为，从而制作冰淇淋。

目标

理解溶质（盐）如何影响溶剂（水）的相行为。
利用凝固点降低制作一批美味的冰淇淋。

材料

1 杯奶油
1/2 杯糖
200 克冰
犹太盐
1夸脱（约0.95升）的Ziploc袋
1加仑（约3.78升）的Ziploc袋
温度计
秤

第一部分：使用盐降低冰的熔点

为了在没有冰箱的帮助下成功冷冻冰淇淋，我们需要一种方法来有效地将热量从冰淇淋中移走。液态水比固态冰更能有效地传递热量，因此冰水浴比纯冰更能吸收我们冰淇淋的热量。然而，为了有效地冷冻冰淇淋，我们需要稳定的、远低于0°C的温度。如何在温度低于0°C（水的凝固点）时，拥有水和冰的混合物？当您直接从冰箱中取出冰时，冰的温度将与冰箱本身大致相同。家用冰箱的温度通常在0°C到-20°C之间。当冰放在外面时，它会吸收周围环境的热量，并缓慢变暖，直到达到0°C并开始融化。添加杂质（如盐）到冰中会降低其熔点。这意味着加盐的冰会在低于0°C的温度下开始融化。因此，加盐的冰水浴可以在远低于0°C的温度下保持液态，并有效地冷冻我们的冰淇淋。我们将这种现象称为“凝固点降低”。我们可以使用凝固点降低方程来计算当添加溶质时，溶剂的凝固点会下降多少。

ΔTf 凝固点降低，定义为纯溶剂的Tf – 溶液的Tf。Kf 溶剂的依数性常数。这是溶剂的固有属性。b 溶质的摩尔浓度：每公斤溶剂的溶质摩尔数。i 每分子溶质的离子粒子数，也称为“范特霍夫因子”。盐由一个钠离子和一个氯离子组成，因此其范特霍夫因子为2。

ΔTf = b · Kf · i

使用凝固点降低方程计算需要多少盐（我们的溶质）才能将水的凝固点（我们的溶剂）从（a）0°C降低到-5°C，（b）0°C降低到-10°C，（c）0°C降低到-15°C，以及（d）0°C降低到-20°C。
绘制凝固点降低的绝对值（ΔTf）与盐浓度（从1a、b、c和d得到的结果）的关系图。请记得使用单位！
根据您在1d中的答案，计算制作200克冰的-20°C凝固点降低需要多少克盐。这就是您将在第二部分使用的盐量。

一些有用的数值：纯水的凝固点（Tf）：0°C。水的依数性常数（Kf）：1.853 °C*kg/mol。食盐（NaCl）的分子量：58.44 g/mol。

点击此处检查您的答案。

第二部分：利用凝固点降低制作冰淇淋

将奶油和糖混合在夸脱大小的袋子里，充分混合。将这个袋子放入加仑大小的袋子里。
记录冰和奶油混合物的初始温度。
在加仑大小的袋子里，将冰堆在夸脱大小的袋子周围，然后将计算出的盐量撒在冰上。注意不要让盐掉入奶油混合物中。
轻轻摇晃袋子，直到奶油混合物凝固成冰淇淋。
记录冰盐水混合物和冰淇淋的最终温度。
享用您的自制冰淇淋！

问题

冰淇淋的最终温度是多少？它低于0°C吗？与盐冰水混合物的温度相比如何？
盐冰水混合物的最终温度是多少？比您开始时的冰温度更热还是更冷？与您在第一部分计算的凝固点降低相比如何？

讨论

在这个实验中，我们使用盐来降低水的凝固点。通过在冰中加入盐，我们能够获得一种盐冰水混合物，能够冷冻我们的冰淇淋。为什么冰淇淋需要低于水的凝固点的温度才能冷冻？当水结冰时，它会形成一个有序的晶体结构（冰块）。这种独特的晶体结构使固态水具有稍低的密度。尽管冰淇淋是奶油、糖和调味品的组合，但它仍然大约含有60%的水。其余的40%是糖分子、脂肪球和牛奶蛋白的混合物[1]。这种液体混合物是乳化的：水分子分散在糖分子、牛奶蛋白复合物和大的脂肪球簇中。当将这种混合物带到水的凝固温度时，脂肪、蛋白质和糖会阻碍结晶过程，从而干扰有序晶体水结构的形成。因此，冰淇淋混合物仍然是液体，需要低于0°C的更低温度才能成功固化[2]。

冰淇淋的结构。（A）一张显示气泡、冰晶和糖溶液的冰淇淋的电子显微照片[3]。在此分辨率下，脂肪球和牛奶蛋白不可见。（B）改编自圭尔夫大学的冰淇淋结构图。

我们实验中的盐如何产生低于0°C的盐冰水混合物？在0°C时，冰和水彼此“处于平衡状态”。总的水和冰的量相对恒定，但单个水分子不断地改变状态：当一些水分子融化成液体时，其他水分子结冰成固体。添加盐等溶质会改变这种平衡。溶质本质上将水分子“困”在液态，阻止它们容易地切换回固态。在宏观尺度上，盐会使固体冰更快地融化，并在低于0°C的温度下融化，从而产生低于0°C的盐冰水混合物。为了更深入地了解这个过程在分子层面上是如何工作的，请查看此交互式演示

了解温度和溶质如何影响水冰平衡。与普遍的看法相反，向冰中加盐并不会让冰变得更冷！您记录的盐冰水混合物的温度可能比您开始时的纯冰温度更低。这怎么可能？当您测量固态冰的温度时，您并不是真正测量冰本身的温度——您测量的是冰、冰周围的空气以及任何因冰融化而形成的水的平均温度。冰的真实温度取决于它来自的冰箱的温度（通常在0°C到-20°C之间）以及冰离开冰箱的时间长短。

在线资源

来自《食物与烹饪》的更多内容

McGee, Harold. On Food and Cooking. Scribner, 2004. (39–44)。

引用的参考文献

Goff HD (1997) 冰淇淋的胶体方面——一篇综述。International Dairy Journal 7: 363–373。doi:10.1016/S0958-6946(97)00040-X。
Hartel RW (1996) 冰淇淋生产过程中的冰结晶。Trends in Food Science & Technology 7: 315–321。doi:10.1016/0924-2244(96)10033-9。
Clarke C (2003) 冰淇淋的物理学。Physics Education 38: 248–253。doi:10.1088/0031-9120/38/3/308。