Chladicí směs vody, ledu a soli

Pokus číslo: 1614

  • Cíl pokusu

    Cílem tohoto pokusu je ověřit, že přidáním kuchyňské soli lze snížit teplotu tání, resp. tuhnutí směsi vody a ledu.

  • Teorie

    Teploty tání, resp. tuhnutí krystalických látek jsou obecně závislé na okolním tlaku a na chemické čistotě látky – možné příměsi mohou teploty tání/tuhnutí významně ovlivňovat. Zatímco rovnovážnému stavu, při kterém může voda koexistovat s ledem, přísluší za normálního atmosférického tlaku teplota 0 °C, při smíchání s kuchyňskou solí (NaCl) se tato teplota sníží.

    Jak je tento vliv pro různé koncentrace výrazný napoví obr. 1, který ukazuje fázový diagram směsi voda + kuchyňská sůl; svislá osa znázorňuje teplotu, vodorovná hmotnostní podíl soli. Pro každou dvojici teplota-koncentrace tak můžeme nalézt stav, ve kterém se směs právě nachází.

    Příklad: Pro padesátiprocentní obsah soli při teplotě 15 °C ukazuje graf do zeleně vyznačené fáze „voda+NaCl“, což znamená, že část soli zůstane nerozpuštěna (přesycený roztok).

    Z grafu je patrné, že nejnižší teplota, při které může směs vody, ledu a soli existovat, je cca −21 °C, a to při hmotnostním podílu kuchyňské soli přibližně 23 %.

    Obr. 1: Fázový diagram směsi voda + kuchyňská sůl

    Pokud tedy k ledu či ledové tříšti přidáváme sůl, snižuje se teplota tání/tuhnutí této směsi a led tak začíná rychle tát. Aby mohla tato fázová přeměna proběhnout, odebírá led ze svého okolí skupenské teplo tání, což způsobuje značný pokles měřené teploty.

    Podrobněji je experiment rozebrán na Fyzwebu v příspěvku Mgr. P. Böhma, ze kterého byl převzat a přeložen obr. 1.

  • Pomůcky

    Led, kladívko, kádinka, polystyrenová podložka, voda, kuchyňská sůl, teploměr (obr. 2).

    Obr. 2: Pro měření teploty můžeme kromě kapalinových teploměrů použít například digitální vpichovací teploměr určený primárně do kuchyně
  • Postup

    1. Několik ledových kostek rozbijeme kladívkem na tříšť a tu přisypeme do kádinky k malému množství vody. Kádinku tepelně odizolujeme polystyrenovou podložkou.

    2. Jakmile se teplota směsi ustálí přibližně na 0 °C, začneme za stálého míchání přisypávat kuchyňskou sůl; teplotním čidlem odečítáme aktuální teplotu směsi.

  • Vzorový výsledek

    Ve vzorovém experimentu se snadno, bez odměřování poměru mezi vodou, ledem a solí, podařilo dosáhnout teploty −15°C.

  • Technické poznámky

    • Při výrobě ledové tříště je vhodné kostky zabalit do ručníku či hadru a v něm je teprve rozbíjet (obr. 3). Tento způsob zabraňuje odletování tajících kousků ledu po místnosti.

    • Obr. 3: Rozbíjení ledu
    • Výhodou je použití teploměru schopného vykreslovat časovou závislost teploty.

    • Teploměr s pevným tělem také dobře poslouží při míchání.

    • K provádění experimentu obvykle není třeba ani zmiňovaná tepelná izolace; jev je i bez ní snadno měřitelný a přesvědčivý.

    • Na kádince během experimentu namrzá vzdušná vlhkost; kromě toho může kádinka snadno přimrznout k podložce.

    • Pro výrobu chladicí směsi není nutné používat právě kuchyňskou sůl. Stejný efekt mají také ostatní ve vodě rozpustné soli (např. CaCl2, FeCl2, MgCl2 apod.). Poměry vhodné pro dosažení co nejnižších teplot jsou pro různé soli shrnuty například na české Wikipedii.

  • Metodické poznámky

    • Praktickým využitím předvedeného experimentu je kromě přípravy chladicích směsí zejména využití při zimním solení namrzlých chodníků. Žáci obvykle tuto informaci „odkývají“, zkušenost ale ukázala, že jim velmi často vůbec není jasné, jak spolu experiment a praxe souvisí. (Sugestivní otázka ze strany učitele může znít: „Chci, aby led na chodníku roztával, jak mi tedy pomůže, že snížím jeho teplotu?“) Proto je nutné zdůrazňovat, že přidání soli především snižuje teplotu tání/tuhnutí směsi – tedy že můžeme vodu udržovat kapalnou i při teplotách hluboko pod 0 °C. Jinak řečeno, ze zledovatělého chodníku jsme schopni „udělat“ pouze chodník mokrý.

    • Pozorní studenti mohou přijít s výtkou, že intenzivní míchání směsi může být kontraproduktivní, protože mechanickou prací se zvyšuje vnitřní energie směsi a ta se tedy zahřívá. Tento argument je samozřejmě správný a je rozumné jej ocenit, na druhou stranu je vhodné zdůraznit, že přírůstek teploty při míchání je v tomto případě skutečně zanedbatelný.

  • Doplňující experiment

    Jako doplněk experimentu lze ukázat, že i samotné rozpouštění soli ve vodě způsobuje pokles teploty této směsi. Zde je ovšem fyzikální důvod jiný než ve výše uvedeném pokusu - rozpouštění soli je endotermický děj, kdy směs odnímá svému okolí teplo potřebné na rozrušení krystalické mříže chloridu sodného (můžeme hovořit o tzv. rozpouštěcím teple), nejde zde o skupenskou přeměnu.

    Do sklenky s vodou o pokojové teplotě postupně přisypáváme kuchyňskou sůl (také o pokojové teplotě), mícháme a sledujeme, že teplota směsi klesá. Video níže odkazuje na provedení tohoto experimentu se systémem Vernier.

Typ pokusu: kvantitativní
Věková skupina: od 2. stupně základní školy
Potřebné vybavení: proveditelné s pomůckami, které se na školách obvykle vyskytují
Čas přípravy pokusu: do 3 minut
Čas provedení pokusu: 3–10 minut
Multimediální encyklopedie fyziky
Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na
středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální
fakulta UK, Praha.
×Původní zdroj: Kácovský, P. (2016). Experimenty podporující výuku termodynamiky na středoškolské úrovni. (Disertační práce.) Matematicko-fyzikální fakulta UK, Praha.