Doświadczenie fizyczne „Obniżenie punktu wrzenia wody pod wpływem dodatku soli kuchennej” Dział fizyki: termodynamika Opracowanie: zespół nr 2 Gimnazjum nr 3 w Nysie Natalia Sanocka, Nikola Łobaczewska kl. II a Nauczyciel – opiekun: Beata Krzan

Potrzebne materiały Czysta woda (woda destylowana, mineralizowana) Sól kuchenna (NaCl) Metalowy garnuszek Gaz lub palnik (do podgrzania wody)

Opis przebiegu doświadczenia Wodę destylowaną wlewamy do garnuszka i stawiamy na gazie.

Opis przebiegu doświadczenia Gdy zaczną się pojawiać pierwsze malutkie bąbelki, dosypujemy około łyżeczki soli.

Obserwacje Woda od razu po wsypaniu soli zaczyna się gotować.

Wnioski: Dodatek soli przyspiesza wrzenie. Sól, podwyższając temperaturę wrzenia, przyspiesza moment, w którym woda destylowana zaczyna wrzeć. Rozpuszczenie w cieczy ciała stałego powoduje podwyższenie temperatury wrzenia. 6

Interpretacja chemiczna: Po dodaniu do wody różnych soli zwiększamy jej temperaturę wrzenia. Temperatura wrzenia roztworu zależy od stężenia nielotnej substancji rozpuszczonej w roztworze. Im więcej jonów znajduje się w wodzie tym wyższa temp. wrzenia czyli trzeba użyć soli która po rozpuszczeniu w wodzie da jak największą ilość jonów. Jeśli rozpuścimy w jednym dm3 wody jeden mol soli NaCl to z dysocjacji jednego mola soli powstanie dwa mole: Na+ i Cl- NaCl<=>Na+ + Cl-

Interpretacja fizyczna: Podwyższenie temperatury wrzenia dla cieczy zawierających substancje nielotne pozwala wytłumaczyć prawo Raoulta. Francuski chemik François Marie Raoult (1830–1901) odkrył następujące prawo: prężność (ciśnienie) pary nasyconej nad roztworem jest zawsze niższa niż nad czystym rozpuszczalnikiem.

Wiemy, że: Temperatura wrzenia wody - to temperatura przy której ciśnienie powstającej pary jest równe ciśnieniu zewnętrznemu (otoczenia), skutkiem czego parowanie następuje w całej objętości cieczy (dana substancja wrze). Temperatura wrzenia wody zależy od ciśnienia zewnętrznego, jakie jest wywierane na wodę. Im większe jest ciśnienie zewnętrzne wywierane na wodę, tym temperatura wrzenia wody jest wyższa.

Interpretacja fizyczna: Zgodnie z prawem Raoulta : posolenie wody destylowanej (powstaje roztwór) powoduje obniżenie ciśnienia par y nad wodą. Ciśnienie zewnętrzne jest większe. Aby mógł nastąpić proces wrzenia, ciśnienia te muszą się wyrównać. Musi zwiększyć się ciśnienie pary (energia kinetyczna cząsteczek par musi wzrosnąć), a do tego potrzebna jest wyższa temperatura, czyli następuje wzrost temperatury wrzenia. Aby prężność par zrównała się z ciśnieniem zewnętrznym, potrzebna jest wyższa temperatura, czyli następuje wzrost temperatury wrzenia cieczy.

Hipoteza: Obecność cząsteczek nielotnych substancji (soli) może hamować parowanie. Powodować, iż cząsteczki rozpuszczalnika (wody) na powierzchni są silniej przyciągane, przez co parowanie wody jest znacznie mniejsze i ciśnienie par jest mniejsze niż ciśnienie zewnętrzne (atmosferyczne).

Obalenie hipotezy: Jak wiadomo, NaCl to związek jonowy. Po rozpuszczeniu w wodzie jony Na+ oraz Cl- są bardzo silnie solwatowane przez polarne cząsteczki wody. Solwatacja jest znacznie silniejsza niż siła wzajemnego wiązania cząsteczek wody. Dlatego też przy powierzchni roztworu nie ma jonów, gdyż tam nie byłyby one całkowicie solwatowane, a więc miałyby niekorzystnie dużą energię. Powierzchnia roztworu soli kuchennej jest czystą wodą. Czyli tłumaczenie, że zgromadzone przy powierzchni cząsteczki rozpuszczonej substancji hamują parowanie rozpuszczalnika jest niezgodne z rzeczywistością. Solwatacja – otaczanie cząsteczek rozpuszczanego związku chemicznego przez cząsteczki rozpuszczalnika.

Treści uzupełniające

Proces wrzenia Proces wrzenia wymaga odpowiednich warunków - m.in. możliwości ulatniania się powstającego z cieczy gazu. Ponadto nie występuje jednocześnie w całej objętości cieczy i wymaga zainicjowania oraz czasu. Zapoczątkowanie wrzenia powoduje nagłe i intensywne wrzenie w całej objętości cieczy.

Proces wrzenia Wraz ze wzrostem temperatury w całej objętości wody pojawia się coraz więcej pęcherzyków gazu. W temperaturze 100 °C z wody wydostają się duże bąble pary i jako lżejsze wydostają się na jej powierzchnie - woda wrze. Temperatura rośnie do 100 °C. Po osiągnięciu tej wartości temperatura dalej nie wzrasta, a woda wrze nada.

Proces wrzenia Dlaczego podczas wrzenia wody temperatura przestała rosnąć? Wrzenie to zjawisko szybkiej zamiany cieczy w parę, zachodzące w całej objętości cieczy. Cała energia dostarczana cząsteczkom wody jest przez nie zużywana na pokonanie sił, jakimi na siebie oddziałują w najbliższym sąsiedztwie. Do momentu zerwania wiązań temperatura wody pozostaje więc stała.

Proces wrzenia Para wodna początkowo ma także temperaturę wrzenia, ale podczas zderzeń z cząsteczkami powietrza jej cząsteczki oddają swoją energię aż do momentu wyrównania temperatur. Para oziębia się, a powietrze ogrzewa. Każda substancja ma swoją ściśle określoną temperaturę wrzenia, gdyż siła oddziaływań międzycząsteczkowych w różnych substancjach jest różna.

Temperatura wrzenia (punkt wrzenia) Temperatura wrzenia zależy od rodzaju substancji oraz od ciśnienia otoczenia. Temperatura wrzenia rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia i obniża się wraz z jego obniżaniem.

Temperatura wrzenia (punkt wrzenia) Przy stałym ciśnieniu zazwyczaj ciecze wrą w jednej, określonej temperaturze. Temperatura wrzenia wody (punkt wrzenia) = 100 0C przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym (1 bar czyli około 1014 hPa).

Zastosowanie

Zastosowanie: Zjawisko podwyższenia punktu wrzenia można zastosować na przykład przy gotowaniu jajka, aby się szybciej ugotowało. Podwyższenie temperatury wrzenia skraca czas gotowania produktu.

Zastosowanie: Zjawisko podwyższania punktu wrzenia wykorzystano w kuchni w garnkach ciśnieniowych. Są one używane w ciśnieniach 1,2 – 1,8 bar i w temperaturach 104 0C– 120 0C. Doprowadzone ciepło powoduje w próżniowo zamkniętych garnkach skok (wzrost) ciśnienia – i co za tym idzie – wzrost temperatury wrzenia wody w garnku do ponad 1000C. Wzrost temperatury skraca czas gotowania produktu nawet do 80% i powoduje oszczędność energii nawet do 50%.

Zastosowanie: Ze zjawiskiem obniżania punktu wrzenia spotykają się polarnicy podczas wypraw w wysokie góry. Wraz ze wzrostem wysokości, maleje ciśnienie zewnętrzne, więc temperatura wrzenia wody gotowanej na herbatę maleje. Można przyjąć, że co 300 m punkt wrzenia wody maleje o jeden stopień Celsjusza.

Tabela: Temperatura wrzenia wody na różnych wysokościach nad powierzchnią Ziemi oraz odpowiadająca im wartość ciśnienia atmosferycznego h [km] p[hPa] T[C] 1013 100 1 899 97 2 795 94 3 701 90 10 265 67 20 55 34

Tabela: Temperatura wrzenia wody w zależności od wartości ciśnienia atmosferycznego p [hPa] T [C] 23,4 20 123,5 50 475,1 80 702,3 90 980,1 99 1430,2 110

Podsumowanie: Temperatura wrzenia wody zależy od rozpuszczanych w niej ciał stałych, takich jak soli czy cukru, wzrastając w zależności od ich ilości. Słona woda wrze w temperaturze wyższej niż 100oC. W osolonej wodzie mięso i warzywa gotują się szybciej, ponieważ ma ona wyższą temperaturę wrzenia.

Podsumowanie: Punkt wrzenia wody na makaron lub ryż (z solą) wzrasta o około 0,5 - 1 0C, a na kompot (mocno posłodzony, „dużym” cukrem) nawet o kilka stopni (cukier płynny o ok. 2 0C). Sól się sypie do garnka po to, aby podnieść temperaturę wrzenia wody i żeby pierogi, makaron lub ryż ugotowały się szybciej (zanim za dużo „wciągną wody”).

Inne doświadczenia: Jeśli ugotujemy zielony groszek w wodzie czystej i lekko posolonej, a potem damy go komuś spróbować rzadko ktoś poczuje różnicę w smaku. Wniosek: Groszek gotowany w solonej wodzie powinien być bardziej miękki („bardziej ugotowany”), gdyż temperatura wrzenia słonej wody jest wyższa.

Inne doświadczenia: W garnuszku z osoloną wodą należy umieścić szklankę z czystą wodą, tak, aby obie ciecze się nie zmieszały. Jeśli taki garnek będziemy ogrzewać, zaobserwujemy najpierw wrzenie wody w szklance, a dopiero chwilę później zacznie wrzeć osolona woda. Wniosek: temperatura wrzenia słonej wody jest wyższa.

Linki: http://pl.wikipedia.org/wiki/Temperatura_wrzenia http://pl.wikipedia.org/wiki/Wrzenie_(fizyka) http://pl.foodlexicon.org/s0000770.php