פרויקטים מדעיים על מה קופא מהר יותר: מים או מי סוכר?

ממשלות מדינה ועיריות מפיצות לעתים קרובות מלח כסוכן לניקוי ציפוי בכבישים. זה עובד על ידי הורדת טמפרטורת ההיתוך של הקרח ביעילות. תופעה זו - המכונה דיכאון בנקודת הקפאה - מספקת גם את הבסיס למגוון פרויקטים מדעיים. הפרויקטים יכולים לנוע בין פשוט למורכב - עם תחזיות מתמטיות - בהתאם לרמת הציון של התלמיד. יתר על כן, רשימת הציוד הנדרש כוללת רק מחבת רוטב ומד חום.

כאשר מוצקים מתמוססים במים הם יוצרים חלקיקים קטנים ונפרדים. במקרה של חומרים אורגניים כמו סוכר, החלקיקים מורכבים ממולקולות סוכר בודדות. במקרה של מלחים, כמו מלח שולחן, המכונה גם נתרן כלורי, החלקיקים מורכבים מהיונים הטעונים המרכיבים את המלח. נוכחותם של חלקיקים במים מפריעה ליכולתם של מולקולות המים להיקשר יחד ליצירת מוצק ככל שטמפרטורת המים מתקרבת לנקודת הקפאה שלהם. דיכאון בנקודת הקפאה מתרחש בכל הנוזלים, לא רק במים.

נסיינית חייבת לשים לב במיוחד למה היא בדיוק מודדת ואיך היא מודדת את זה. זה מסתכם בסוגיה הבסיסית של שאלת השאלות הנכונות. במקרה הספציפי הזה, האם הנסיינית צריכה לעסוק במה שקופא מהר יותר, או בטמפרטורה בה ההקפאה מתרחשת? השאלה מה קופא מהר יותר מרמזת שאם דגימת מים ודגימת מי סוכר היו מונחים במקפיא במקביל, אז אחד מהם היה קופא לפני השני. אבל איזה מידע זה באמת יספק? המהירות בה קופא חומר מתייחס בין היתר לפרמטרים של התמיסה

instagram story viewer
קיבולת חום וכמות החומר. הבחירה הטובה יותר במקרה זה תהיה למדוד את הטמפרטורה בה הקפיא הפתרונות בגלל זה עונה על השאלה החשובה יותר: האם זיהומים במים משפיעים על נקודת הקיפאון שלהם ואם כן כיצד הַרבֵּה?

כימאים ופיזיקאים ביססו היטב את המדע והמתמטיקה שמאחורי דיכאון בנקודות הקפאה. עבור סטודנטים מתקדמים, או בעלי עניין רב במתמטיקה, המשוואה הסטנדרטית לדיכאון נקודת הקפאה, דלתא (T), של פתרון היא דלתא (T) = -k * m, כאשר k מייצג את קבוע הדיכאון של נקודת הקפאה של הממס ו- m מייצג את המולולציה של התמיסה, או שומות של חלקיקים חלקי הקילוגרמים של מֵמֵס. זה נראה מסובך ממה שהוא באמת. בהנחה שהמים מייצגים את הממס היחיד ששימש בניסוי, k = 1.86. יתר על כן, סוכר, המכונה גם סוכרוז, מציג משקל מולקולרי של 342.3. המשוואה לדיכאון בנקודת הקפאה מפשטת כעת לדלתא (T) = -11.86 * (גרם סוכרוז / 342.3 / ק"ג מים). כך, למשל, אם מומס 10 גרם סוכרוז במאה מ"ל מים, אז 100 מ"ל = 100 גרם = 0.100 ק"ג, ודלתא (T) = -11.86 * (10 / 342.3 / 0.1) = -0.54 מעלות צלזיוס. לפיכך, פתרון זה אמור לקפוא בטמפרטורה של 0.54 מעלות צלזיוס מתחת לנקודת הקפאה של מים טהורים.

סידור מחדש של המשוואה משלב 3 יאפשר לנסיין למדוד דלתא (T) ואז לפתור את המשקל המולקולרי, MW, של סוכרוז. כלומר, MW = (-11.86 * גרם סוכרוז) / (דלתא (T) * ק"ג מים). למעשה, הרבה סטודנטים לכימיה בתיכון ובמכללות עורכים ניסויים בהם הם קובעים בניסוי את המשקל המולקולרי של חומר לא ידוע. השיטה פועלת גם ביחס לנקודות רתיחה, למעט הערך עבור k משתנה ל 0.52.

Teachs.ru
  • לַחֲלוֹק
instagram viewer