Ответ на этот химический вопрос может помочь защитить дороги от обледенения зимой
Цель: Определить, какой добавленный материал заставит лед таять быстрее
Области науки: Химия
Сложность: Средняя, промежуточная
Требуемое время: 2-5 дней
Предварительные условия: Отсутствуют
Наличие материала: Легко доступен
Стоимость: $20–$50
Безопасность: Проблем нет
Кредиты: Эндрю Олсон, доктор философии, и Тейша Роуленд, доктор философии, друзья по науке
Если вы когда-нибудь готовили домашнее мороженое по старинке, используя ручную машинку, вы, вероятно, знаете, что для того, чтобы кремовая смесь остыла, вам понадобятся лед и каменная соль. замри. Точно так же, если вы живете в холодном климате, вы, возможно, видели грузовики, которые посыпают улицы солью и песком после снегопада, чтобы предотвратить образование льда на дорогах. В обоих этих случаях соль снижает температуру замерзания воды и изменяет фазу вещества, в котором находится вода (т.е. превращает твердый лед в жидкую воду).
Для приготовления мороженого, поскольку каменная соль снижает температуру замерзания льда, температура смеси льда и каменной соли может опуститься ниже нормальной температуры замерзания воды. Это позволяет замораживать смесь для мороженого во внутреннем контейнере машины для приготовления мороженого. Что касается соли, которой посыпают улицы в зимнее время, пониженная температура замерзания означает, что снег и лед могут таять даже при температуре ниже нормальной температуры замерзания воды. И мороженица, и дорожная соль являются примерами снижения температуры замерзания. Поваренная соль (хлорид натрия или NaCl), смешанная с водой, является примером химического раствора. В <сильном>растворе есть растворитель (в данном примере — вода) и <сильное> растворенное вещество (в данном примере — соль). Молекула растворенного вещества растворяется (переходит в раствор), потому что сила притяжения между молекулой растворенного вещества и молекулами растворителя больше, чем сила притяжения между молекулами растворенного вещества. Вода (H2O) является хорошим растворителем, поскольку она частично поляризована. (Эта поляризация обусловлена распределением электронов в молекуле воды. В частности, ее водородные концы имеют частичный положительный заряд, а кислородные — частичный отрицательный.)
Поскольку молекулы воды частично поляризованы, они могут располагаться вокруг ионов (которые представляют собой молекулы или атомы, обладающие зарядом), подобно ионам натрия (Na+) и хлорида (Cl), которые входят в состав поваренной соли. Вот почему между молекулами воды и молекулами соли существует большее притяжение, чем между молекулами соли самими по себе, и вот почему вода может растворять соль, образуя соленый раствор.
Другие вещества при смешивании с водой также могут понижать температуру ее замерзания. Степень, на которую понижается температура замерзания, зависит только от количества растворенных молекул, а не от их химической природы. Это пример коллигативного свойства. В этом научном проекте вы будете исследовать различные вещества, чтобы увидеть, как они влияют на скорость таяния кубиков льда. Вы будете тестировать вещества, которые растворяются в воде (т.е. растворимые вещества), такие как соль и сахар, а также вещества, которые не растворяются в воде (т.е. нерастворимые вещества), в частности песок. Какие вещества ускорят таяние льда?
Термины и понятия
- Температура замерзания
- Фазы вещества
- Понижение температуры замерзания
- Раствор
- Растворенное вещество
- Растворитель
- Молекулы
- Коллигативные свойства
Вопросы
- Что такое понижение температуры замерзания? Когда это происходит?
- Как готовятся растворы?
- Какие из предложенных тестируемых веществ растворимы в воде?
- Какие из предложенных тестируемых веществ нерастворимы в воде?
Ресурсы
Для получения дополнительной информации о коллигативных свойствах смотрите:
- Неф, К.Р. (2006). Коллигативные свойства растворов. Гиперфизика, факультет физики и астрономии Государственного университета Джорджии. Проверено 6 сентября 2007 г.
Информацию о числе Авогадро и молекулярной массе смотрите в:
- Лачиш, У. (2000).&Число Авогадро, атомный и молекулярный вес. Проверено 6 сентября 2007 г.
Материалы и оборудование
Друзья по науке’ рекомендуемые материалы для этого проекта можно найти по адресу Amazon.com .
- Одинаковые миски или блюдца (4)
- Кубики льда (12) одинакового размера и формы
- Соль (¾ чайной ложки)
- Сахар (¾ ч.л.)
- Песок (¾ ч.л.)
- ¼ ч.л. мерная ложка
- Таймер или часы
- Пустая полка холодильника в который можно поместить все четыре чаши без упаковки одновременно
- мерный цилиндр объемом 50 миллилитров или меньшего размера
- Большая чашка с носиком, например, некоторые мерные стаканчики, или воронка, которая помещается в мерный цилиндр
- Дополнительно: Клейкая лента и перманентный маркер для маркировки чашек
- Лабораторный блокнот
Экспериментальная процедура
Совет для научной выставки участники: Во время проведения эксперимента сделайте несколько снимков себя в действии и вашей экспериментальной установки. Используйте фотографии, чтобы сделать стенд вашей научной выставки более интересным и информативным.
1. Приготовьте соль, сахар, песок и мерную ложку для использования поблизости.
- После того, как вы разложите кубики льда по чашкам, вам нужно будет быстро добавить в них необходимые вещества, чтобы они не растаяли перед добавлением необходимых веществ.
2. В каждую из четырех мисочек быстро положите по три кубика льда. Разложите кубики льда так, чтобы соприкасались только углы, образуя треугольную форму, как показано на рисунке 1.
- Совет: Если вы используете кубики льда из лотка, это поможет дайте противню немного постоять при комнатной температуре (около пяти минут), чтобы кубики льда легче выходили из него и не разбивались на кусочки.
3. Аккуратно посыпьте кубики льда ½ ч.л. соли в одной миске, как показано на рисунке 2. Затем посыпьте кубики льда ½ ч.л. сахара в другой миске и ½ ч.л. песка в третьей миске. Не посыпайте ничем кубики льда в четвертой миске — это будет под вашим контролем.
<загрузка изображения="ленивое" декодирование="асинхронное" width="1030" height="753" src="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2024/11/ice-melt-experiment-figure-2.jpg" alt="" class="wp-image-215119" srcset="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2024/11/ice-melt-experiment-figure-2.jpg 1030 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2024/11/ice-melt-experiment-figure-2.jpg?resize=524,383 524 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2024/11/ice-melt-experiment-figure-2.jpg?resize=768,561 768 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2024/11/ice-melt-experiment-figure-2.jpg?resize=616,450 616 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2024/11/ice-melt-experiment-figure-2.jpg?resize=793, 580 793 Вт" размеры="авто, (максимальная ширина: 1030 пикселей) 100 Вт, 1030 пикселей" />
4. Поставьте каждую миску на пустую полку в холодильнике. Если кубики льда в миске больше не образуют треугольной формы, аккуратно раздвиньте их, чтобы они снова образовали треугольник.
- Вы проводите этот эксперимент в холодильнике, потому что при более низких температурах легче увидеть влияние коллигативных свойств. Чтобы понять, почему это так, представьте, что кубик льда тает на раскаленной асфальтированной дороге, а не в холодильнике. Из-за высокой температуры дороги все кубики льда тают очень быстро, что затрудняет выявление относительно незначительного влияния коллигативных свойств на скорость таяния кубиков льда.
5. Запишите время начала работы в свой лабораторный блокнот. Сообщите другим людям, которые могут пользоваться холодильником, что вы выполняете научный проект, и не оставляйте дверцу холодильника открытой надолго, так как это может привести к изменению температуры в холодильнике.
6. Проверяйте наличие кубиков льда каждый час. Когда кубики льда в одной из формочек растают хотя бы наполовину, достаньте все четыре формочки из холодильника и переходите к шагу 7. (Не забудьте вынуть кубики льда из формочек до того, как они полностью растают в двух или более формочках.)
- В зависимости от того, насколько холоден ваш холодильник, кубикам льда может потребоваться около четырех часов, чтобы остыть. расплавится как минимум наполовину.
- Пока вы ждете, составьте в своем лабораторном блокноте таблицу данных, подобную таблице 1.
- В качестве альтернативы вы можете использовать воронку вместо чашки с носиком и переливать жидкость из чаши непосредственно в мерный цилиндр.
- Когда выливаете жидкость из чаши с песком, старайтесь, чтобы в чаше оставалось как можно больше песка.
- Например, если количество расплавленного продукта составило 65 миллилитров (мл), а оставшееся количество — 25 мл, общее количество объем должен составлять 90 мл.
- Например, если расплавилось 65 мл, а общее количество составило 90 мл, то деление 65 мл на 90 мл даст 0,72, что равно то же самое, что и 72 процента. Это означает, что 72 процента льда растаяло.
- Зависит ли скорость плавления от количества добавленного растворенного вещества? Чтобы выяснить это, проведите эксперимент.
- Изучите влияние температуры на то, как коллигативные свойства расплавляют кубики льда. Для этого проведите эксперимент при разных температурах, например, в помещении или на улице в жаркий день. Обязательно регулярно следите за температурой на протяжении всего эксперимента.
- Какие другие вещества способствуют более быстрому или медленному таянию кубиков льда? Определите, какие вещества стоит попробовать, а затем повторите этот эксперимент.
- Более продвинутый эксперимент по снижению температуры замерзания смотрите в проекте Science Buddies «Химия приготовления мороженого: понижение температуры замерзания воды».
- Вы знаете, как снизить температуру замерзания воды? думаете, соль растопит лед в вашей морозилке? Почему или почему бы и нет? Попробуйте и узнайте.
<таблица class="и-с фиксированным макетом"><элемента tbody><тр><тд>содержание<тд>в сумме растаял (мл)<тд>, оставшаяся сумма (мл)<тд>общее количество (в мл)<тд>процент melted
<П>7. Аккуратно перелейте воду из одной из чашек в чашку с носиком, например, в большой мерный стакан. Следите за тем, чтобы кубики льда оставались в миске, но в чашку наливалось как можно больше жидкости. Затем аккуратно перелейте жидкость из чашки в мерный цилиндр. Запишите, сколько жидкости было в чашке (количество растаявшего льда), в таблицу данных в вашем лабораторном блокноте. После записи результатов очистите и высушите чашку и мерный цилиндр.
8. Повторите шаг 7 с тремя другими мисками.
9. Теперь дайте кубикам льда полностью растаять в чашках (вы можете оставить их при комнатной температуре). Как только все кубики льда растают, повторите шаги 7-8 (но на этот раз вам не нужно будет беспокоиться о том, чтобы кубики льда оставались в чашках). Запишите количество жидкости, оставшейся в каждой миске, в таблицу данных.
10. Рассчитайте общее количество воды (первоначально в виде кубиков льда), которое было в каждой миске. Для этого добавьте “количество растопленного масла ” к “количеству, оставшемуся ” для каждой миски. Запишите общее количество для каждой чаши в таблице данных.
11. Для каждой миски рассчитайте процентное содержание льда, которое растаяло, когда вы впервые достали миски из холодильника. Для этого разделите количество растаявшего льда на общее количество.
12. Вымойте и высушите миски. Затем повторите шаги 1-11 еще как минимум два раза, чтобы в общей сложности выполнить как минимум три попытки.
13. Ускоряло ли какое-либо из тестируемых вами веществ таяние льда (по сравнению со скоростью таяния обычных кубиков льда без добавления каких-либо добавок)? Если да, то можете ли вы объяснить свои результаты?
Варианты
Это упражнение предлагается вам в партнерстве с Science Buddies. Найдите оригинальное упражнение на веб-сайте Science Buddies.
<загрузка изображения="ленивое" декодирование="асинхронное" width="1030" height="218" src="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2023/01/1030_ScienceBuddies_Logo-Horiz_rgb-r.png " alt="Баннер с надписью "ДРУЗЬЯ ПО НАУКЕ"" class="wp-image-214542" srcset="https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2023/01/1030_ScienceBuddies_Logo-Horiz_rgb-r.png 1030 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2023/01/1030_ScienceBuddies_Logo-Horiz_rgb-r.png?resize=680,144 680 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2023/01/1030_ScienceBuddies_Logo-Horiz_rgb-r.png?resize=768,163 768 Вт, https://www.snexplores.org/wp-content/uploads/sites/3/2023/01/1030_ScienceBuddies_Logo-Horiz_rgb-r.png?resize=800, 169 800 Вт" размеры="авто, (максимальная ширина: 1030 пикселей) 100 Вт, 1030 пикселей" />
