I. Provedení pokusu

Kdy zamrzne moře? (Vliv příměsi soli na mrznutí)

Pomůcky

Rychle reagující teploměr (např. PASCO s tenkým drátovým čidlem)
2 stejné malé kalíšky (např. plastové od smetany do kávy nebo od citronky)
Kuchyňská sůl (chlorid sodný)
Voda z kohoutku
Váha a lžička na odměření soli
Mrazák (v zázemí kabinetu, školní kuchyňky nebo sborovny)
Lepicí páska nebo kolíčky na prádlo (na spolehlivé zajištění čidel)

Popis

V tomto experimentu se zaměříte na zkoumání vlivu rozpuštěných příměsí na proces tuhnutí kapalin a prozkoumáte fenomén zvaný kryoskopické snížení bodu mrazu. Připravíte si dva stejné kalíšky: do prvního nalijete čistou vodu z kohoutku a ve druhém vytvoříte koncentrovaný roztok slané vody, který bude simulovat mořskou vodu. Do obou kalíšků upevníte čidla teploměru tak, aby byla plně ponořená, ale nedotýkala se stěn. Vaším úkolem bude sledovat průběh grafu a porovnat, o kolik stupňů níže se posune vodorovná plošina (teplotní plato) mrznutí u slané vody v porovnání s vodou čistou.

Princip

Když mrzne čistá voda, její molekuly se při dosažení 0 °C začnou organizovat do pevné krystalové mřížky ledu. Dokud tento proces probíhá, teplota směsi zůstává konstantní na 0 °C, protože systém odevzdává tzv. skupenské teplo tuhnutí. Pokud však ve vodě rozpustíte sůl, ionty sodíku (Na+) a chloru (Cl–) se vkapalně rozptýlí mezi molekuly vody. Tyto cizí částice fungují jako mechanická a chemická překážka – vyloženě překážejí molekulám vody v tom, aby se k sobě přiblížily a vytvořily pravidelnou mřížku ledu. Aby roztok vůbec začal krystalizovat, musíte mu odebrat mnohem více vnitřní energie. V důsledku tohoto kryoskopického efektu se vodorovná plošina (teplotní plato) tuhnutí u simulované mořské vody posune hluboko pod nulu.

Pozor!

Nebezpečí! Při manipulaci s namrzlými předměty uvnitř mrazáku buďte opatrní, abyste si nezpůsobili drobné chladové omrzliny kůže.

Postup

Příprava vzorků: Do dvou stejných kalíšků odměřte navlas stejné množství vody z kohoutku (např. 30 ml). První kalíšek nechte čistý. Ve druhém kalíšku rozmíchejte přibližně jednu plnou lžičku soli (cca 3–5 g), abyste vytvořili silný solný roztok.
Zajištění čidel: Do obou kalíšků zafixujte pomocí lepicí pásky nebo kolíčku drátová čidla teploměru tak, aby visela přesně ve středu budoucího objemu kapalin a nedotýkala se dna ani stěn.
Spuštění záznamu: Spusťte měření obou teploměrů současně.
Fáze mražení: Oba kalíšky opatrně přeneste a vložte je v naprosto stejný moment vedle sebe na stejnou polici uvnitř mrazáku. Mrazák ihned bezpečně uzavřete.
Doba měření: Ponechte vzorky v mrazáku dostatečně dlouho (cca 45–60 minut). Je nutné počkat, až obě kapaliny projdou svou fází tuhnutí (vodorovnou plošinou v grafu) a teplota začne opět klesat, což značí kompletní zmrznutí.
Stažení dat: Vyjměte senzor z mrazáku, připojte jej k aplikaci, stáhněte uložená data a v grafu porovnejte výšku a polohu obou vodorovných plošin mrznutí.

Poznámky

K zamyšlení: Proč mořská voda v polárních oblastech nezamrzá při 0 °C, ale zůstává kapalná i při teplotách kolem -1,9 °C? Jaké výhody to přináší mořským ekosystémům a lodní dopravě?

Zajímavost: Pokud byste solný roztok udělali extrémně nasycený (přidali maximum soli, co se dokáže rozpustit), můžete bod tuhnutí posunout až k hodnotě -21,1 °C. Této specifické koncentraci se říká eutektická směs. Při nižší teplotě už běžná kuchyňská sůl led nerozpustí.

Rozšíření: Zkuste odhadnout, zda by vodorovná plošina tuhnutí byla u slané vody stejně dlouhá (časově) jako u čisté vody, nebo zda bude mít jiný tvar. (U slané vody bývá plato často mírně skloněné, protože jak čistá voda vymrzá do ledu, zbývající kapalina se stává stále slanější a koncentrovanější, což bod mrazu neustále posouvá dál dolů).

Provázanost

Tento pokus rozvíjí téma fázových přeměn a navazuje na základní experiment „Kdy a jak voda zmrzne?“. Je v přímé souvislosti s pokusem „Kdy roztaje nanuk?“, kde se zkoumá vliv cukerných příměsí na tání. Tvoří také přímý základ pro badatelskou úlohu „Jak ochladit led?“, kde se vlastností posunu bodu tání/mrazu pomocí soli využívá k vytvoření silně podchlazené směsi.

II. Pracovní list – protokol

Kdy zamrzne moře? (Vliv příměsi soli na mrznutí)

Jméno: _____________________________ Datum: ___________

Pojmy

Vyjmenujte klíčové fyzikální pojmy, se kterými jsme se dnes seznámili.

Tuhnutí (krystalizace), skupenské teplo tuhnutí, fázová přeměna, bod mrazu (tuhnutí), konstantní teplota, příměs, kryoskopický efekt (snížení bodu mrazu), teplotní plato (plošina).

Poučka

Jakou zákonitostí chceme ověřit? Napište sem vzorec, definici, nebo fyzikální poučku, kterou ověřujeme.

Rozpuštěním cizí látky (příměsi) v rozpouštědle dochází k narušení stability vznikající krystalové mřížky. To má za následek pokles teploty tuhnutí (bodu mrazu) výsledného roztoku pod hodnotu čistého rozpouštědla.

Badatelská hypotéza: V grafu závislosti teploty na čase se u obou vzorků objeví vodorovná plošina (teplotní plato) značící mrznutí. Zatímco čistá voda bude vykazovat konstantní teplotu tuhnutí přesně na 0 °C, teplotní plošina simulované mořské vody (slané vody) se vlivem kryoskopického efektu posune prokazatelně pod nulu (do záporných hodnot).

Pozorování

Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)

Jakou veličinu v pokusu měníme?

Přítomnost a koncentraci příměsi (porovnáváme čistou vodu z kohoutku a koncentrovaný roztok kuchyňské soli).

Čím jsme změnu měřili a kontrolovali?

Přesným navážením množství soli a jejím rozpuštěním ve stejném objemu vody.

Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)

Jaká veličina se v pokusu mění?

Výška (hodnota) teplotní plošiny tuhnutí vyjádřená ve stupních Celsia a celkový čas, kdy kapalina začne měnit skupenství.

Čím jsme tyto změny měřili?

Digitálním teploměrem.

Poznatek

Co jsme zjistili? Naměřená závislost obou proměnných. Vlastními slovy vyjádřete, co jste v pokusu (ne)ověřili.

U čisté vody jsme zaznamenali vodorovnou plošinu tuhnutí při teplotě ______ °C. Naproti tomu u slané vody (simulace mořské vody) se teplotní plato ustálilo na hodnotě ______ °C – příměs soli posunula teplotní plato tuhnutí pod nulovou hranici.

(Pokud pokus „nevyšel“ podle teoretických předpokladů – např. slaná voda vůbec nezmrzla a na grafu nebylo žádné plato – bylo to pravděpodobně způsobeno tím, že mrazák nebyl dostatečně chladný pro takto vysokou koncentraci soli, případně bylo měření ukončeno příliš brzy, nebo se jedno z čidel dotýkalo stěny kalíšku).

Praxe

Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?

Příroda a oceány: Mořská voda obsahuje průměrně 3,5 % solí, což způsobuje, že světové oceány nezačínají zamrznout při 0 °C, ale až při teplotě přibližně -1,9 °C. Tento posun bodu mrazu hraje obrovskou roli v globální cirkulaci oceánských proudů a v termoregulaci celé naší planety.