Projekty naukowe dotyczące tego, co zamarza szybciej: woda czy cukier?

Rządy stanowe i miejskie często rozprowadzają sól jako środek odladzający na drogach. Działa poprzez skuteczne obniżenie temperatury topnienia lodu. Zjawisko to — znane jako depresja punktu zamarzania — stanowi również podstawę wielu projektów naukowych. Projekty mogą się wahać od prostych do skomplikowanych — wraz z przewidywaniami matematycznymi — w zależności od poziomu oceny ucznia. Ponadto na liście wymaganego wyposażenia znajduje się tylko rondel i termometr.

Gdy ciała stałe rozpuszczają się w wodzie, tworzą małe, dyskretne cząstki. W przypadku substancji organicznych, takich jak cukier, cząsteczki składają się z pojedynczych cząsteczek cukru. W przypadku soli, takich jak sól kuchenna, znana również jako chlorek sodu, cząstki składają się z naładowanych jonów, które tworzą sól. Obecność cząstek w wodzie zakłóca zdolność cząsteczek wody do wiązania się ze sobą w ciało stałe, gdy temperatura wody zbliża się do punktu zamarzania. Depresja punktu zamarzania występuje we wszystkich cieczach, nie tylko w wodzie.

Eksperymentator musi zwracać szczególną uwagę na to, co dokładnie mierzy i jak to mierzy. Sprowadza się to do fundamentalnej kwestii zadawania właściwych pytań. Czy w tym konkretnym przypadku eksperymentator powinien zajmować się tym, co zamarza szybciej, czy też temperaturą, w której następuje zamarzanie? Pytanie, co zamarza szybciej, sugeruje, że gdyby próbka wody i próbka wody z cukrem zostały jednocześnie umieszczone w zamrażarce, to jedna z nich zamarzłaby przed drugą. Ale jakich informacji by to faktycznie dostarczyło? Szybkość, z jaką substancja zamarza, zależy między innymi od parametrów roztworu pojemność cieplna i ilość substancji. Lepszym wyborem w tym przypadku byłoby zmierzenie temperatury, w której roztwory zamarzają, ponieważ odpowiada to na ważniejsze pytanie: czy zanieczyszczenia w wodzie wpływają na jej temperaturę zamarzania, a jeśli tak, to w jaki sposób? dużo?

Chemicy i fizycy dobrze opanowali naukę i matematykę stojącą za obniżeniem temperatury zamarzania. Dla zaawansowanych uczniów lub tych z dużym zainteresowaniem matematyką, standardowe równanie dla obniżenia temperatury zamarzania, delta (T), rozwiązania to delta (T) = -k * m, gdzie k oznacza stałą depresji molowej temperatury krzepnięcia rozpuszczalnika, a m oznacza molowość roztworu lub mole cząstek podzielone przez kilogramy rozpuszczalnik. Wydaje się to bardziej skomplikowane niż w rzeczywistości. Zakładając, że jedynym rozpuszczalnikiem użytym w eksperymencie jest woda, k = 1,86. Ponadto cukier, znany również jako sacharoza, ma masę cząsteczkową 342,3. Równanie obniżenia temperatury zamarzania upraszcza się teraz do delta (T) = -1,86 * (gramy sacharozy / 342,3 / kg wody). Na przykład, jeśli 10 gramów sacharozy rozpuszczono w 100 ml wody, to 100 ml = 100 g = 0,100 kg, a delta (T) = -1,86 * (10/342,3/0,1) = -0,54 stopnia Celsjusza. Tak więc roztwór ten powinien zamarzać w temperaturze 0,54 stopnia Celsjusza poniżej punktu zamarzania czystej wody.

Przekształcenie równania z kroku 3 umożliwiłoby eksperymentatorowi zmierzenie delta (T), a następnie obliczenie masy cząsteczkowej MW sacharozy. Oznacza to, że MW = (-1,86 * gramów sacharozy) / (delta (T) * kg wody). W rzeczywistości wielu uczniów szkół średnich i studentów chemii przeprowadza eksperymenty, w których eksperymentalnie określają masę cząsteczkową nieznanej substancji. Metoda działa również w odniesieniu do punktów wrzenia, z wyjątkiem wartości k zmieniającej się na 0,52.

  • Dzielić
instagram viewer