Weird Science

Ciecz przechłodzona, albo gorący lód

By wie­dzieć o co cho­dzi… parę pod­staw teo­re­tycz­nych

Jak wiemy mate­ria w ota­cza­jącym nas świe­cie występuje naj­czę­ściej w jed­nym z trzech sta­nów sku­pie­nia (w uprosz­cze­niu). Zaś sta­nem sku­pie­nia nazy­wamy pod­sta­wową formę, w jakiej występuje sub­stan­cja. Forma ta okre­ślaja pod­sta­wowe wła­sno­ści fizyczne tej sub­stan­cji w okre­ślo­nych warun­kach. Wła­sno­ści sub­stan­cji wyni­kają z układu oraz zacho­wa­nia cząste­czek two­rzących daną sub­stan­cję. Bar­dziej pre­cy­zyj­nym okre­śle­niem form występo­wa­nia sub­stan­cji jest faza mate­rii.

Uży­wany przez nas zwy­kle podział na trzy stany sku­pie­nia ma dosyć długi rodo­wód, ponie­waż pocho­dzi z XVII wieku. Wyróżn­iamy więc:

Podział ten wynika ze zna­cząco różn­ych wła­ści­wo­ści sub­stan­cji będących w każdym z tych trzech sta­nów:

Występo­wa­nie więk­szo­ści sub­stan­cji w danym sta­nie sku­pie­nia zależy od panu­jącego ciśnie­nia i tem­pe­ra­tury, np. woda pod ciśnie­niem nor­mal­nym w tem­pe­ra­tu­rze poni­żej 0°C jest cia­łem sta­łym, w tem­pe­ra­tu­rach od 0 do 100°C jest cie­czą, a powy­żej 100°C staje się gazem.

W tem­pe­ra­tu­rze kry­tycz­nej (krzep­nięcia, wrze­nia, top­nie­nia, skra­pla­nia) następuje sko­kowa zmiana wła­ści­wo­ści fizycz­nych ciała: ciecz zamie­nia się w gaz, ciało stałe w ciecz. Tem­pe­ra­tury kry­tyczne są spe­cy­ficzne dla danej sub­stan­cji. Dzięki wie­dzy na temat tem­pe­ra­tury wrze­nia możemy roz­różnić sub­stan­cje różn­iące się tą wła­sno­ścią.

Oka­zuje się jed­nak, że jest możl­i­wość utrzy­ma­nia sub­stan­cji w danym sta­nie sku­pie­nia, cho­ciaż dzięki zmia­nie tem­pe­ra­tury powinna już wystąpić zmiana tego stanu. Przy­kła­dem może być ciecz prze­ch­ło­dzona i ciecz prze­grzana. Pierw­sza jest ciągle cie­czą, nawet poni­żej tem­pe­ra­tury zama­rza­nia, zaś druga jest cie­czą powy­żej punktu wrze­nia. Stany te są jed­nak meta­sta­bilne. Ozna­cza to, że są sta­bilne jeśli nie występuje jakieś naru­sze­nie układu (wstrząs, zanie­czysz­cze­nie, wyła­do­wa­nie elek­tryczne). W takim wypadku taka ciecz natych­miast prze­cho­dzi do stanu sku­pie­nia, jaki wyni­kałby bez­po­śred­nio z tem­pe­ra­tury (gwałt­owne krzep­nięcie lub wrze­nie). Dziś zaj­miemy się cie­czą prze­ch­ło­dzoną.

Czego potrze­bu­jemy?

By otrzy­mać ciecz prze­ch­ło­dzoną potrze­bu­jemy octanu sodu, o wzo­rze CH3COONa. Jest to sodowa sól kwasu octo­wego, jej wzór struk­tu­ralny jest przed­sta­wiony poni­żej.

Ilustracja

Można ją otrzy­mać w reak­cji zobo­jęt­nie­nia kwasu octo­wego zasadą sodową. W tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej octan sodu jest białą sub­stan­cją kry­sta­liczną:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

W obec­no­ści wil­goci CH3COONa ulega częsciowo hydro­li­zie, dzięki czemu jest wyczu­walny deli­katny zapach kwasu octo­wego. Związek ten występuje w for­mie hydratu.

Ostrze­że­nie: Cho­ciaż występu­jący w doświad­cze­niu octan sodu nie jest silną tru­ci­zną to należy zacho­wać środki ostrożn­o­ści jak zaw­sze przy pracy z che­mi­ka­liami. Należy zacho­wać także ostrożn­ość pod­czas pod­grze­wa­nia. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Naj­bar­dziej inte­re­su­jącą dla nas cechą tego związku jest to, że w tem­pe­ra­tu­rze kil­ku­dzie­sięciu stopni Cel­sju­sza topi się on we wła­snej wodzie kry­sta­li­za­cyj­nej. Jeśli sto­piona ciecz jest czy­sta i znaj­duje się w naczy­niu o gład­kich ścia­nach to mimo spadku tem­pe­ra­tury poni­żej tem­pe­ra­tury krzep­nięcia pozo­sta­nie w sta­nie cie­kłym!

Przy­stępu­jemy do pracy

Krysz­tały octanu sodu należy sto­pić. W tym celu do suchej i czy­stej pro­bówki lub innego nie­wiel­kiego naczy­nia wsy­pu­jemy pewną ilość krysz­ta­łów CH3COONa. Otwór wylo­towy zaty­kamy watą, by nie nastąpiło zabru­dze­nie. Kurz dosko­nale pełni funk­cję zarod­ków kry­sta­li­za­cji. Następ­nie pro­bówkę wsta­wiamy do więk­szego naczy­nia z wodą. Naczy­nie to sta­wiamy nad pal­ni­kiem. W warun­kach domo­wych wystar­czy kuchenka. Zaczy­namy powoli pod­grze­wać (woda może deli­kat­nie wrzeć). Po paru minu­tach nastąpi roz­pusz­cze­nie krysz­ta­łów i otrzy­mamy prze­zro­czy­stą ciecz, nieco gęst­szą od wody. Dla pew­no­ści dobrze jest oczy­ścić ją przez sącze­nie. Możemy prze­pro­wa­dzić je na sączku z nie­wielką ilo­ścia waty. Prze­sączoną ciecz należy zebrać do także czy­stej i suchej pro­bówki lub innego naczy­nia, które nalezy szybko zamk­nąć. Następ­nie musimy pozwo­lić sub­stan­cji oziębić się.

Jeśli sto­piony octan jest czy­sty to po powol­nym ostu­dze­niu pozo­sta­nie w dal­szym ciągu cie­czą!

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Wytrąćmy teraz z rów­no­wagi ten meta­sta­bilny układ. Natych­mia­stową kry­sta­li­za­cję można roz­po­cząć w różny spo­sób: przez silne potrząśnięcie, zamie­sza­nie cie­czy szklaną bagietką czy wrzu­ce­nie do niej nie­wiel­kiego krysz­tału octanu:

Jak widzimy, począt­kowo sub­stan­cja w pro­bówce jest cie­kła. Po wrzu­ce­niu nie­wiel­kiego krysz­tałka octanu sodu (zbyt mały by był widoczny na fil­mie) zaczyna się gwałt­owna kry­sta­li­za­cja. Ciecz zamie­nia się w ciało stałe począw­szy od góry. Po kilku sekun­dach cała zawar­tość pro­bówki zamie­nia się w lity krysz­tał. Zostaje przy tym wydzie­lone cie­pło, a pro­bówka nagrzewa się do kil­ku­dzie­sięciu stopni. Krysz­tały można ponow­nie prze­pro­wa­dzić w stan cie­kły na łaźni wod­nej.

Prze­ch­ło­dzony octan sodu zestala się tak szybko, że wyle­wa­jąc go ze zlewki na pod­stawkę można for­mo­wać kry­sta­liczne figury! Zja­wi­sko można też zasto­so­wać do una­ocz­nie­nia spo­sobu pow­sta­wa­nia sta­lag­mi­tów. Poni­żej zamiesz­czam mój fil­mik:

Fakt odda­wa­nia zaku­mu­lo­wa­nego przez ciecz prze­ch­ło­dzoną cie­pła pod­czas jej gwałt­ow­nej kry­sta­li­za­cji wyko­rzy­stuje się w ogrze­wa­czach dłoni takich jak ten:

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/a/ab/Hand_war­mer.jpg, dostęp: 20.10.2012

Jest to po pro­stu torebka wyko­nana z odpor­nego na tem­pe­ra­turę two­rzywa sztucz­nego, która została wypełn­iona octa­nem sodu. Role ini­cja­tora krzep­nięcia pełni widoczna wew­nątrz spręzy­nu­jąca blaszka. Przy zgi­na­niu jej jest wytwa­rzana nagła zmiana ciśnie­nia, która wytrąca ciecz z rów­no­wagi i zapo­cząt­ko­wuje jej kry­sta­li­za­cję. Oczy­wi­ście ogrze­wacz można przyw­rócić do dzia­ła­nia pod­grze­wa­jąc go w gorącej wodzie aż do sto­pie­nia sub­stan­cji.

Napełn­ia­jąc sto­pio­nym octa­nem sodu nie­wielką, szczel­nie zakręcaną bute­leczkę otrzy­mamy wła­sny ogrze­wacz dłoni na zimę. Jest bar­dzo przy­datny pod­czas marz­nięcia na przy­stan­kach auto­bu­so­wych:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Kry­sta­li­za­cję ini­cju­jemy poprzez silne wstrząśnięcie bute­leczki. Wkła­damy ją do kie­szeni gdy tylko roz­pocz­nie się kry­sta­li­za­cja, co zapewni naszym dło­niom cie­pło na jakiś czas.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa:

Marek Ples

Aa