Πείραμα: Η ανώμαλη διαστολή του νερού

Θέλετε να κάνετε πειράματα στο εργαστήριο που απαιτούν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες (π.χ. πήξη νερού, ταπείνωση σημείου πήξης, ανώμαλη διαστολή του νερού); Δείτε πως να κατασκευάσετε ένα φορητό ψυγείο που να κρατάει θερμοκρασία γύρω στους -20οC για περίπου 2 ώρες.

Water Turnovers

Κυκλοφορία νερού ανάλογα την εποχή (πηγή: http://cnx.org/content/m46872/1.1/)

Κάθε χρόνο, ο διαγωνισμός EUSO είναι μια ευκαιρία για σκέψη, έρευνα, πειραματισμό για τους εκπαιδευτικούς που επιλέγουν τα θέματα και για τους μαθητές που συμμετέχουν. Για το φετινό διαγωνισμό ζήτησα τη βοήθεια του συναδέλφου Γιάννη Καραδάμογλου για να βρούμε κάποιο πρωτότυπο πείραμα για το διαγωνισμό. Στη πρώτη μας συνάντησή είπαμε ο καθένας πολλές ιδέες, αλλά σταθήκαμε (και εν τέλει καταλήξαμε) σε μία.

Η ανώμαλη διαστολή του νερού είναι μία ιδιότητα που τα παιδιά διδάσκονται από το δημοτικό κιόλας, αλλά σχεδόν ποτέ δεν έχουν την ευκαιρία να δουν στο εργαστήριο. Η δυσκολία οφείλεται στις χαμηλές θερμοκρασίες που πρέπει να πετύχουμε για αρκετή ώρα και με διάταξη που να είναι ορατή στα παιδιά. Αυτή η δυσκολία μπορεί να ξεπεραστεί με τη χρήση ενός ψυχρού λουτρού.

Τι είναι το Ψυχρό Λουτρό

Το ψυχρό λουτρό σύμφωνα με τη Wikipedia είναι:
[quote style=”2″ author=”Cooling bath – From Wikipedia, the free encyclopedia”]Ένα ψυχρό λουτρό, στην εργαστηριακή χημεία, είναι ένα υγρό μίγμα το οποίο χρησιμοποιείται για τη διατήρηση χαμηλών θερμοκρασιών, τυπικά μεταξύ 13oC και -196oC. Αυτές οι χαμηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιούνται για τη συλλογή υγρών μετά την απόσταξη, για να απομακρυνθούν οι διαλύτες ουσίες χρησιμοποιώντας έναν περιστροφικό εξατμιστήρα ή για να εκτελέσει μια χημική αντίδραση κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου.[/quote]

Ψυχρό λουτρό από ξηρό πάγο και ακετόνη στους -78oC (πηγή: wikipedia.com)
Ψυχρό λουτρό από ξηρό πάγο και ακετόνη στους -78oC (πηγή: wikipedia.com)

Ένα ψυχρό λουτρό γενικά αποτελείται από:

  1. ένα «παράγοντα ψύξης» κάποιο στερεό σε χαμηλή θερμοκρασία (π.χ. ξηρό πάγο ή παγωμένο νερό).
  2. ένα «υγρό μεταφορέα» το οποίο μεταφέρει θερμότητα μεταξύ του λουτρού και του δοχείου πειράματος (π.χ. υγρό νερό, αιθυλενογλυκόλη, ακετόνη).
  3. μία «πρόσθετη ουσία» για την ταπείνωση του σημείο πήξης του στερεού/υγρού συστήματος (π.χ. αλάτι).
  4. ένα μονωμένο και κατάλληλα διαμορφωμένο δοχείο για την υποδοχή του στερεού/υγρού συστήματος και τη στήριξη του δοχείου πειράματος.
Διάταξη ψυχρού λουτρού
Διάταξη ψυχρού λουτρού

Κατασκευή Ψυχρού Λουτρού με απλά υλικά

Η πρώτη επαφή που είχα με διάταξη ψυχρού λουτρού, ήταν κατά τη διάρκεια της εισαγωγικής επιμόρφωσης στη Ρόδο όπου ο συνάδελφος χημικός Βασίλης Βελεχέρης μας έδειξε ένα πείραμα ταπείνωσης του σημείου πήξεως χρησιμοποιώντας ένα ψυχρό λουτρό και τρεις εργαστηριακούς σωλήνες με διαφορετικές περιεκτικότητες σε αλατόνερο. Για την κατασκευή του ψυχρού λουτρού χρησιμοποίησε:

  1. για «παράγοντα ψύξης»: πάγο.
  2. για «υγρό μεταφορέα»: φωτιστικό οινόπνευμα.
  3. για «πρόσθετη ουσία»: αλάτι.
  4. για μονωμένο δοχείο: συσκευασία οικογενειακού παγωτού από φελιζόλ ή μία κατασκευή που θα κάνουμε εμείς χρησιμοποιώντας φελιζόλ και κατάλληλη κόλλα.

Αργότερα, στις δοκιμές που έκανα για το πείραμα της ανώμαλης διαστολής του νερού, μέτρησα ότι η παραπάνω διάταξη μπορεί να κρατήσει θερμοκρασία -15oC για περίπου 2 ώρες. Επίσης βρήκα ότι η θερμοκρασία που μπορούμε να πετύχουμε εξαρτάται από δύο παράγοντες:

  1. Την αρχική θερμοκρασία του πάγου και του φωτιστικού οινοπνεύματος. Πολλοί νομίζουν ότι όλοι οι πάγοι έχουν την ίδια θερμοκρασία αλλά αυτό δεν είναι σωστό. Π.χ. ο πάγος από ένα μικρό οικιακό ψυγείο έχει θερμοκρασία περίπου -13oC ενώ ο πάγος από ένα μεγάλο επαγγελματικό ψυγείο μπορεί να φτάσει και τους -40oC. Έτσι ανάλογα την εφαρμογή, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε πάγο κατάλληλης θερμοκρασίας και φωτιστικό οινόπνευμα που το έχουμε βάλει αρκετή ώρα στην κατάψυξη.
  2. την αναλογία ποσότητας πάγου νερού και αλατιού. Πρακτικά, εάν σε ένα μίγμα νερού-πάγου στους 0oC προσθέσουμε αλάτι με αναλογία 3 προς 1, η θερμοκρασία του μίγματος θα πέσει στους -20oC. Μπορούμε να πειραματιστούμε γύρω από την παραπάνω αναλογία με ένα εργαστηριακό θερμόμετρο για να πετύχουμε το καλύτερο δυνατό αποτέλεσμα.

Tο πείραμα της ανώμαλης διαστολής του νερού βήμα προς βήμα

Διάταξη δοχείου πειράματος

Διάταξη δοχείου πειράματος
Διάταξη δοχείου πειράματος
Το ερώτημα για τη διάταξη δοχείου πειράματος, ήταν το μέγεθος της σφαιρικής φιάλης και η εσωτερική διάμετρος του γυάλινου σωλήνα ώστε η μεταβολή στη στάθμη του νερού μέσα στο γυάλινο σωλήνα να είναι μετρήσιμη από τους μαθητές.

Εάν η φιάλη είναι αρκετά μεγάλη, ο χρόνος πτώσης της θερμοκρασίας του αποσταγμένου νερού θα ήταν μεγάλος και η διάρκεια του πειράματος θα ξεπερνούσε τα διαθέσιμα χρονικά όρια. Εαν η φιάλη είναι μικρή, ο συνολικός όγκος νερού δεν θα ήταν αρκετός για παρατηρήσιμες μεταβολές στον όγκο λόγο της πτώσης θερμοκρασίας. Κάνοντας δοκιμές παρατηρήσαμε ότι φιάλη των 250ml συμβίβαζε αρκετά καλά τις παραπάνω απαιτήσεις με χρόνο μεταβολής της θερμοκρασίας από 25oC στους -4oC σε 20 λεπτά.

Με δεδομένο τον όγκο της φιάλης, δοκιμάσαμε σωλήνες με διαφορετικές εσωτερικές διαμέτρους και βρήκαμε ότι αυτός με εσωτερική διάμετρο 1,6mm δίνει τις καλύτερα παρατηρήσιμες μεταβολές στη στάθμη του νερού στο σωλήνα.

Κατασκευή Ψυχρού Λουτρού

[numblock num=”1″ style=”1″]Προετοιμασία: Καταρχάς πρέπει να εκτιμήσουμε τις διαστάσεις του μονωμένου δοχείου μας ανάλογα τις διαστάσεις του δοχείου πειράματος. Για το πείραμα της ανώμαλης διαστολής του νερού χρησιμοποίησα σφαιρική φιάλη 250ml με διαστάσεις περίπου 15cm (διάμετρος) επί 25cm (ύψος). Εαν το πείραμα μας απαιτεί μικρότερα δοχεία π.χ. σωλήνα εργαστηρίου για ταπείνωση του σημείου πήξεως διαλύματος νερού-αλατιού τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μονωμένο δοχείο μικρότερων διαστάσεων.

Ένας πρακτικός κανόνας είναι το δοχείο μας να έχει εσωτερικές διαστάσεις περίπου στο διπλάσιο από το δοχείο πειράματος που θα χρησιμοποιήσουμε (όχι μικρότερη για να υπάρχει αρκετό σύστημα στερεού/υγρού και όχι μεγαλύτερο για να μην χρειαστούμε μεγάλες ποσότητες ουσιών για το σύστημα στερεού/υγρού).[/numblock]

Δοχείο απο φελιζόλ για μονωμένο δοχείο
Δοχείο απο φελιζόλ για μονωμένο δοχείο
Αφου έχουμε καταλήξει στις διαστάσεις του μονωμένου δοχείου, ψάχνουμε στο εμπόριο για κατάλληλο κλειστό (με καπάκι) δοχείο. Το πιο απλό υλικό είναι το φελιζόλ και τα καταστήματα ειδών συσκευασίας και τα ζαχαροπλαστεία είναι οι καλύετροι υποψήφιοι. Εαν είμαστε τυχεροί θα βρούμε κάποιο δοχείο που δεν χρειάζεται κάποια μετατροπή. Εαν όχι μπορούμε να τροποποιήσουμε (με χρήση κατάλληλης κόλλας) αυτό που βρήκαμε ώστε να ταιριάζει στο πείραμά μας.

[numblock num=”2″ style=”1″]Μία μέρα πριν το πείραμα: Βάζουμε τις υγρές ουσίες του διαλύματος ψυχρού λουτρού (νερό και φωτιστικό οινόπνευμα) για αρκετό χρόνο στην κατάψυξη ώστε η θερμακρασία τους να εξισωθεί με αυτή της κατάψυξης. Όσο χαμηλότερη θερμοκρασία μπορεί να πετύχει ο καταψύκτης μας τόσο το καλύτερο.[/numblock]

[numblock num=”3″ style=”1″]Λίγο πριν το πείραμα: Κάνουμε κάποια δοκιμή για να εξετάσουμε τη στεγανότητα του μονωμένου δοχείου μας. Εαν παρατηρήσουμε ότι υπάρχουν κάποιες διαρροές (π.χ. στα σημεία κόλλησης εαν υπάρχουν) μπορούμε να το επενδύσουμε εσωτερικά με νάυλον σακούλα.

Στη συνέχεια τοποθετούμε τον πάγο μέχρι να καλύψουμε περίπου το 80% του εσωτερικού χώρου του δοχείου. Μετά ρίχνουμε το αλάτι με αναλογία 1 προς 3 με τον πάγο. Τέλος ρίχνουμε τόσο φωτιστικό οινόπνευμα ώστε να καλυφθεί όλος ο πάγος. Τοποθετούμε μέσα τη φιάλη πειράματος και ελέγχουμε τη στάθμη του διαλύματος ψυχρού λουτρού. Εαν μέρος της φιάλης πειράματος παραμένει ακάλυπτη, προσθέτουμε επιπλέον πάγο και φωτιστικό οινόπνευμα εως ότου καλυφθεί ολόκληρη. Τέλος κλείνουμε το καπάκι του δοχείου για να περιορίσουμε την εισροή θερμότητας από τον περιβάλον χώρο.[/numblock]

Διαδικασία πειράματος

Τη διαδικασία πειράματος μπορείτε να δείτε στο παρακάτω συνημμένο φύλλο εργασίας.

[download-attachments]

Δείτε επίσης

[related limit=”5″]

vgargan Written by:

Είμαι ο Βασίλης Γαργανουράκης και ζω στο Ηράκλειο Κρήτης. Σπούδασα Φυσικός και εργάζομαι στη δημόσια δευτεροβάθμια εκπαίδευση. Όποτε βρίσκω χρόνο, αποτυπώνω και μοιράζομαι τις σκέψεις μου με φίλους, γνωστούς και αγνώστους μέσω του vgargan.gr.