I. Provedení pokusu
Jak ochladit led? (Fázové přeměny a teplo rozpouštění)
Pomůcky
- Led (kostky)
- Kuchyňská sůl (chlorid sodný)
- Pevný hadr / utěrka a palička či kladivo (na bezpečné drcení ledu)
- Sklenice nebo kádinka
- Digitální teploměr
Popis
Nejprve zabalíte kostky ledu do pevného hadru a pomocí kladiva je roztlučete na co nejjemnější kousky, v ideálním případě na jemný ledový sníh, který následně přesypete do sklenice. Do této ledové tříště vložíte digitální teploměr a změříte její výchozí teplotu. Poté budete pokračovat v plynulém měření, ledový sníh zasypete několika lžícemi soli a celou směs důkladně promícháte.
Princip
Když smícháte ledovou tříšť s běžnou kuchyňskou solí, sůl začne narušovat přirozenou a stabilní krystalickou strukturu ledu. Ionty sodíku a chloru se bleskově vážou k molekulám vody a brání jim v tom, aby zůstaly uspořádány do pevné ledové mřížky. Aby mohl tento proces tání a rozpouštění soli v tenké vrstvičce vody vůbec probíhat, potřebuje systém obrovské množství energie. Tento děj je silně endotermický – směs si potřebnou energii bere ze svého vlastního vnitřního tepla. Výsledkem je, že se celá soustava ledu a soli sama dramaticky podchladí (kryoskopický efekt), a to klidně až k teplotám kolem -15 °C až -20 °C.
Pozor!
Nebezpečí zranění! Při vytváření ledové tříšti (roztloukání ledu paličkou) se nezraňte. Pozor na lokální omrzliny. Pozor na kovové čidlo teploměru – ihned po skončení experimentu je třeba ho důkladně opláchnout – koncentrovaná solanka působí silně korozivně.
Postup
- Drcení ledu: Pevné kostky ledu zabalte do tlustého a pevného hadru. Pomocí kladiva do balíčku tlučte tak dlouho, dokud led nerozdrtíte na co nejjemnější ledový sníh. (Tlučte na podlaze, ať nerozmlátíte lavici!)
- Příprava vzorku: Vzniklou jemnou ledovou tříšť opatrně přesuňte z hadru do čisté a suché sklenice nebo kádinky.
- Výchozí stav: Do středu ledové dřeně ponořte čidlo teploměru, spusťte záznam dat a zaznamenejte výchozí teplotu (pokud led již lehce odtává, bude se hodnota pohybovat těsně kolem 0 °C).
- Solení: Za stálého běhu měření zasypte ledový sníh ve sklenici kuchyňskou solí.
- Důkladné promíchání: Směs ledu a soli samotným teploměrem velmi rychle a důkladně promíchejte, aby se krystalky soli dostaly do kontaktu s co největším objemem ledové tříště.
- Záznam minima: Bedlivě sledujte křivku teploty na grafu. Zaznamenejte nejnižší dosaženou hodnotu teploty a vizuálně pozorujte, že ačkoliv teplota prudce klesá pod nulu, led paradoxně mění skupenství na mokrou kapalnou břečku.
Poznámky
K zamyšlení: Proč při silnějších mrazech solení ztrácí smysl a silničáři musí přejít na inertní posyp (písek, štěrk)?
Zajímavost: Před vynálezem elektrických kompresorových chladniček se tento fyzikální jev masivně využíval v gastronomii k domácí výrobě zmrzliny.
Rozšíření: Vyzkoušejte pokus zopakovat s jiným druhem soli, například s chloridem vápenatým (CaCl2).
Provázanost
Tento experiment přímo navazuje na laboratorní úlohy „Kdy a jak voda zmrzne?“ a „Tání ledu. Kdy se nám rozpustí led?“. Představuje také skvělý protiklad k pokusu „Kdy voda vaří 2? Vliv rozpuštěné soli“. Žáci tak názorně uvidí, že rozpuštěná sůl má na vodu duální termodynamický vliv – bod varu roztoku prokazatelně zvyšuje, zatímco bod tání naopak dramaticky snižuje.
II. Pracovní list – protokol
Jak ochladit led? (Fázové přeměny a teplo rozpouštění)
Jméno: _____________________________ Datum: ___________
Pojmy
Vyjmenujte klíčové fyzikální pojmy, se kterými jsme se dnes seznámili.
Teplota tání, krystalická mřížka, nasycený roztok (solanka), endotermický děj, kryoskopický efekt (snížení bodu mrazu), chladicí směs.
Poučka
Jakou zákonitostí chceme ověřit? Napište sem vzorec, definici, nebo fyzikální poučku, kterou ověřujeme.
Rozpouštěním soli v ledu dochází k narušení mezi molekulárních vazeb a ke vzniku chladicí směsi (solanky), jejíž výsledná teplota tání je výrazně nižší než teplota tání čistého vodního ledu. Tento proces rozpadu mřížky spotřebovává vnitřní energii systému.
Badatelská hypotéza: Přidáním chemické příměsi (kuchyňské soli) do čisté ledové tříště o počáteční teplotě 0 °C dojde k okamžité endotermické reakci, která způsobí prudký pokles vnitřní teploty směsi hluboko do záporných hodnot pod bod mrazu.
Pozorování
Nezávislá proměnná (Co jsme v pokusu ovlivňovali)
Jakou veličinu v pokusu měníme?
Koncentraci kuchyňské soli v připraveném objemu drcené ledové tříště.
Čím jsme změnu měřili a kontrolovali?
Odměřeným množstvím přidané soli (přidáváním přesného počtu lžic do kádinky).
Závislá proměnná (Co jsme z pokusu vypozorovali)
Jaká veličina se v pokusu mění?
Výsledná vnitřní teplota vznikající chladicí směsi ledu a soli v průběhu času.
Čím jsme tyto změny měřili?
Digitálním teploměrem.
Poznatek
Co jsme zjistili? Naměřená závislost obou proměnných. Vlastními slovy vyjádřete, co jste v pokusu (ne)ověřili.
Po přidání soli do sklenice s ledovým sněhem teplota bleskově klesla z původních ______ °C na finální minimální hodnotu ______ °C. Velmi zajímavým zjištěním bylo, že přestože byla výsledná směs o mnoho stupňů studenější než čistý led na úplném začátku pokusu, vizuálně již nevypadala jako pevný sníh, ale proměnila se v tekutou mokrou břečku. Naše badatelská hypotéza o prudkém podchlazení směsi se tímto stoprocentně potvrdila.
(Pokud pokus „nevyšel“ podle teoretického očekávání a teplota neklesla pod nulu, mohlo to být způsobeno tím, že led byl rozdrcen na příliš velké kusy a sůl neměla dostatečnou kontaktní plochu, bylo přidáno příliš malé množství soli, nebo měření probíhalo pasivně bez průběžného mechanického promíchávání směsi).
Praxe
Kde se s tímto principem setkáme v běžném životě?
Zimní údržba silnic: Posolením sněhu a ledu vznikne slaná břečka s nižším bodem tání. Vlivem chemické reakce se směs podchladí (např. na -10 °C), čímž vznikne teplotní rozdíl vůči teplejšímu okolnímu vzduchu (např. -4 °C). Směs začne intenzivně pohlcovat teplo z okolí a toto přijaté teplo využije na svou fázovou přeměnu – led proto zkapalní, i když venku mrzne.
Historické chlazení: Před vynálezem elektrických chladniček lidé míchali přírodní led z ledoven se solí. Tím dosáhli extrémně nízkých teplot pod bodem mrazu.