Coś na rozgrzewkę

Doświadczenie 1

W pojemniku na mocz do 30 g trójwodnego octanu sodu (zakupionego w internecie lub wyjętego z ogrzewacza do rąk) dodaj 10 ml wody. Dno i ścianki niewielkiego garnuszka wyłóż papierowymi ręcznikami i zalej wodą. W tak przygotowanej kąpieli wodnej podgrzewaj pojemnik z octanem aż do całkowitego rozpuszczenia się związku. Dla pewności podgrzewaj jeszcze 10–15 min, po czym zakręć pojemnik. Po schłodzeniu płynu do temperatury pokojowej wrzuć do roztworu pojedynczy kryształek octanu sodu. Obserwuj, co się stanie.

Możesz też wziąć opakowanie (80 g) sody oczyszczonej. Wsyp ją do dużego garnka i dodaj ostrożnie 750 ml 10-procentowego octu spirytusowego, unikając nadmiernego burzenia roztworu. Ostrożnie podgrzewaj na małym ogniu – płyn powinien intensywnie parować, ale nie powinien wrzeć. Wygotuj do całkowitego odparowania płynu. Zeskrob osad i umieść go w pojemniczku na mocz (zostawiając w osobnym pojemniku kilka grudek). Dodaj łyżeczkę wody i powoli podgrzewaj w kąpieli wodnej aż do całkowitego stopienia się osadu – jeśli wciąż pozostają grudki, powtarzaj dodawanie wody do uzyskania zadowalającego efektu. Po schłodzeniu wrzuć do pojemnika jedną z odłożonych grudek. Obserwuj, co się stanie.

Wyjaśnienie: Octan sodu wykorzystywany jest w popularnych wielorazowych ogrzewaczach do rąk oraz w demonstracjach hot ice. W przeciwieństwie do NaOH rozpuszczanie się tego związku w wodzie powoduje obniżenie się temperatury roztworu. Energia ta może zostać oddana podczas krystalizacji. W przypadku ogrzewaczy do rąk to wystarczy, by osiągnąć ok. 59°C. Kluczowe staje się tu szybkie uzyskanie dużego kryształu – w przypadku octanu sodu jest to możliwe ze względu na szereg jego ciekawych własności. Wraz ze wzrostem temperatury gwałtownie rośnie jego rozpuszczalność – w 20°C w 100 ml wody rozpuści się ok. 170 g trójwodnego octanu sodu, w 50°C niemal dwa razy tyle! Co więcej, cząsteczki wody uwięzione w kryształach tego związku mogą w tej temperaturze uwolnić się do roztworu, ułatwiając rozpuszczanie kolejnych fragmentów kryształu. Trójwodny octan sodu dosłownie topi się pod wpływem ogrzewania i potrzeba tylko odrobiny wody, aby usprawnić ten proces. Ale schłodzenie roztworu nie oznacza zainicjowania krystalizacji – do tego potrzebne jest zaburzenie roztworu; wywołują je kłaczek kurzu, tarcie lub wibracje „płytki aktywacyjnej” bądź też zarodek w formie wrzuconego kryształka. Zatem w schłodzonym roztworze zmieści się sporo nadmiarowego octanu, dzięki czemu tworzy się roztwór przesycony, który może ulec gwałtownej i spektakularnej krystalizacji, dosłownie zmieniającej całą objętość w kamień i uwalniającej przy tym dużo energii.

W drugiej metodzie uzyskany „domowym sposobem” roztwór octanu zawiera niestety sporo brunatnych zanieczyszczeń, w tym produktów jego termicznego rozkładu. Krystalizacja bywa trudna do zainicjowania i zachodzi wolniej, ale również można zaobserwować wzrost temperatury.

Doświadczenie 2

Weź dwa kieliszki i napełnij je do połowy wodą lub 96-procentowym alkoholem etylowym (oba o temperaturze pokojowej). Zmierz elektronicznym termometrem temperaturę obu płynów. Następnie wlej je oba do jednego kieliszka. Szybko i dokładnie wymieszaj. Zmierz temperaturę.

Wyjaśnienie: Początkowo temperatura obu płynów jest taka sama, ale po ich zmieszaniu wzrasta o jakieś 8°C. W obu cieczach cząsteczki sklejają się w grupy w wyniku powstawania słabych wiązań wodorowych (tworzą się one, gdy w cząsteczkach występują np. grupy -OH). Po zmieszaniu obu cieczy wiązania te są zrywane i odtwarzane w nowym stabilniejszym układzie, m.in. pomiędzy cząsteczkami wody i alkoholu etylowego.

Doświadczenie 3

Pojemnik na mocz napełnij 50 ml wody. Zmierz temperaturę. Następnie dodaj kilkanaście granulek środka do udrożniania rur zawierającego NaOH (bez ziaren aktywatora) i ostrożnie rozmieszaj plastikową łyżeczką. Czy temperatura roztworu się zmieniła?

Wyjaśnienie: Rozpuszczanie NaOH w wodzie jest reakcją silnie egzotermiczną – temperatura mieszaniny wzrosła. Jest to wynikiem bilansu dwóch reakcji. Podczas rozpuszczania substancji w wodzie zerwane zostają wiązania spajające dane ciało stałe, co zawsze wymaga dostarczenia energii (proces I), ale w ich miejsce powstają nowe – NaOH przechodzi do roztworu i rozpada się na jony (Na+ i OH–), wokół których tworzą się otoczki z cząsteczek wody „przyklejonych” do jonu nowymi wiązaniami (proces II). Są one stabilniejsze, zatem ich tworzeniu towarzyszy wydzielenie energii do otoczenia. Temperatura roztworu rośnie, gdy oddawanie energii w procesie I jest wyższe niż jej pochłanianie w procesie II.

dr Paweł Jedynak

Popularyzator nauki i pracownik Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ w Krakowie. Bada nowe możliwości wykorzystania mikroorganizmów w biotechnologii i molekularne mechanizmy rozwoju roślin.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

pojemniki na mocz, spirytus 96-procentowy, trójwodny octan sodu lub ogrzewacz do rąk, 10-procentowy ocet, soda oczyszczona, udrożniacz do rur z NaOH, gumowe rękawiczki

Niewliczone w cenę: garnuszek, garnek, kieliszki, kuchenka, termometr elektroniczny

Czas przygotowania: 2 godz.

Koszt: 65 zł

***

Wiedza w pigułce

Dla naszych praprzodków podstawowym źródłem ciepła był ogień, a zatem reakcja utleniania. Do dziś spalamy np. gaz czy węgiel, by ogrzać wodę, pomieszczenia albo produkować prąd. Wyrafinowanym sposobem ogrzewania jest stosowane w surwiwalowych manierkach lub ogrzewaczach do rąk katalityczne utlenianie nafty za pomocą rozgrzanego platynowego drucika. Ale wraz z rozwojem nauk fizycznych i chemicznych okazało się, że ciepło (a zatem, obok pracy, jedna z form przekazywania energii) można wykrzesać na szereg innych sposobów, czasami niezbyt oczywistych.

Energia odprowadzana do otoczenia jest np. podczas krzepnięcia wody! To logiczne, ponieważ odwrotny proces – topienie lodu – wymaga dostarczania energii potrzebnej na zmianę fazy stałej w ciecz. Pozwalają to wykryć precyzyjne urządzenia mierzące temperaturę odizolowanych od otoczenia próbek – kalorymetry. Dzięki nim obserwujemy, że w czasie ogrzewania mieszaniny wody i lodu temperatura nie wzrasta aż do całkowitego zaniku lodu i utrzymuje się w granicach 0°C. Kalorymetry pozwalają także wyznaczać ciepło topnienia (lub krzepnięcia) – czyli umożliwiają przeliczenie, ile energii potrzeba na stopienie np. kilograma lodu – oraz zmierzyć zmiany temperatury podczas reakcji chemicznych (np. zobojętniania) lub mieszania ze sobą różnych substancji. Powiedzenie: „Pamiętaj, chemiku młody, wlewaj zawsze kwas do wody” – wskazuje, jak bardzo gwałtowny może być w takich przypadkach wzrost temperatury. Taki wzrost może być problemem np. podczas hydratacji (uwodnienia) cementu – gdy ogrzewa się on powyżej 100°C, negatywnie wpływa to na jakość powstałego spoiwa. To dlatego w gorące dni betonowe wylewki wymagają chłodzenia przez polewanie wodą. Wybudowany na pustyni najwyższy budynek świata Burj Khalifa wymagał wręcz dodania do zaprawy lodu!

Zmiany temperatury odnotowuje się także podczas sprężania gazów, co w sprytny sposób można wykorzystywać do ogrzewania pomieszczeń nawet... basenem z zimną wodą. Specjalnie dobrany płyn o niskiej temperaturze wrzenia ulega podgrzaniu, przepływając przez zbiornik z wodą. Już w formie gazu sprężarka pompuje go następnie pod ciśnieniem do wnętrza domu, gdzie ciepło zostaje przekazane pomieszczeniom. Opuszczając dom, gaz zostaje rozprężony – jego temperatura gwałtownie przy tym spada i w zależności od typu płynu chłodniczego może się nawet zmienić w ciecz. Latem proces da się odwrócić, by za pomocą pomp ciepła typu HVAC schładzać pomieszczenia i podgrzewać wodę w basenie.