Závody kostek ledu

Příprava

Je potřeba několik hodin předem (nejlépe přes noc) začít připravovat ve formičce na led ledové kostky (či jiné tvary). Můžete si kromě obyčejných kostek z čisté vody připravit také obarvené kostky. To uděláte tak, že do sklenice s vodou přidáte trochu potravinářského barviva, zamícháte a obarvenou vodu rozlijete do formičky.

Následující postup povede k přípravě dvou sklenic s vodou o přibližně pokojové teplotě – jedna sklenice s obyčejnou vodou, druhá s nasyceným nebo téměř nasyceným roztokem kuchyňské soli (vůbec nevadí, když na dně zůstane nějaká sůl nerozpuštěná).

Připravte do velké nádoby vodu o přibližně pokojové teplotě. První skleničku naplňte asi do tří čtvrtin vodou z velké nádoby. Přidejte kuchyňskou sůl (dvě až tři lžíce na 100 ml vody) a míchejte asi půl minuty. Pak doplňte obě sklenice kousek pod okraj (0,5 cm až 2 cm) vodou z velké nádoby.

Nyní byste měli mít stejná množství stejně teplé vody – obyčejné a velmi slané.

Poznámka k teplotě

Ve skutečnosti voda není úplně stejně teplá, rozpuštění soli (i cukru) je endotermický proces, vede k mírnému ochlazení asi o stupeň nebo dva. Pokud byste tedy chtěli být úplně precizní, musíte si dát ještě trochu práce se srovnáním teplot. Tento rozdíl je ale ve skutečnosti nepříliš podstatný. Šťouravým žákům můžete ověření zanedbatelnosti tohoto rozdílu zadat jako domácí miniprojekt.

Poznámka k množství soli

Než abyste spekulovali nad vhodnou koncentrací roztoku soli, je jednodušší vyrobit nasycený roztok. Na dně pak může zůstat nějaká sůl nerozpuštěná, to ničemu nevadí. Ve 100 ml vody se dá rozpustit při pokojové teplotě přibližně 35 g NaCl, což jsou zhruba dvě lžíce.

Jak by to mělo dopadnout + vysvětlení

Téměř vždy se rozpustí dříve kostka ve slané vodě (při dodržení uvedených postupů jsem ještě nikdy nezaznamenal opak, a to už mám za sebou několik desítek „vystoupení“).

Odůvodnění schematicky znázorňuje obrázek č. 4. Jde o to, že hustota vody závisí na teplotě.

V neosolené vodě odtávající studená voda klesá ke dnu a kostka ledu na hladině je stále obklopena teplou vodou. Pokud experiment provedete s obarvenými kostkami ledu, uvidíte zcela zřetelně, jak studená barevná odtávající voda proudí ke dnu v „čůrcích“.

Naproti tomu hustota teplé slané vody je větší než hustota teplé i studené neslané vody (pokud jste dobře solili). Studená odtávající voda se proto drží u hladiny a brzy vytvoří kolem kostky ledu bazének studené vody, jak je hezky vidět na fotografiích níže. Není tedy divu, že kostka taje pomaleji.

Typicky žáci (i dospělí) tipují, že dříve roztaje kostka ve slané vodě, argumentují přitom domnělou chemickou reakcí mezi ledem a solí, případně tím, že „se přece solí silnice, aby led na nich roztál“. Můžete proto následně udělat stejný experiment také s cukrem, ten je ve vodě ještě výrazně rozpustnější než sůl. Uvidíte, že chemickým složením to není.

Provedení

Před samotným experimentem

Nejprve vysvětlete žákům, co budete dělat – a nechte je tipnout si, která kostka se dříve rozpustí, případně zda to dopadne nerozhodně. Můžete počty jednotlivých tipů zaznamenat na tabuli.  Pokud máte čas, nechte žáky odůvodňovat své tipy, uvádět protiargumenty, vyvolejte diskusi. Dbejte, aby využívali svých dosavadních znalostí – i v případě, že jste ještě neprobírali nic o závislosti hustoty vody na teplotě či míře přenosu tepla v souvislosti s rozdíly teplot, žáci toho hodně znají z vlastní mimoškolní zkušenosti, využijte toho.

Experiment

Vezměte dvě kostky ledu a vložte je obě současně do skleniček. Nemíchejte, pouze se společně s žáky dívejte, která kostka se rozpustí dříve a která později. Během rozpouštění se můžete věnovat se třídou jiné činnosti, jen kostky po očku hlídejte, a až bude jedna z nich skoro rozpuštěná, vraťte se k tomuto experimentu.

Led se téměř jistě rozpustí mnohem dříve v neosolené vodě, typicky do pěti minut. Teprve za dalších pět až deset minut se rozpustí led i ve vodě osolené, jak ukazují úvodní obrázky. Vysvětlení je podáno níže.

Je šikovné během experimentu promítat obraz celé třídě pomocí webkamery nebo vizualizéru. Já používám vizualizér ProScope, který současně může sloužit jako digitální lupa či mikroskop. Pokud promítání možné není, umístěte při experimentu skleničky na vhodné místo tak, aby se kolem žáci mohli seskupit v kruhu a všichni dobře viděli.

Rozbor experimentu

Rozeberte s žáky výsledek a společně proberte, které jejich hypotézy byly správné a které ne. Pokud žádný z žáků nepřišel se správným vysvětlením, nechte je nyní pokud možno dojít ke správnému řešení samostatně (samozřejmě s použitím návodných otázek, prováděním dalších zkoumání pod vaším vedením atd.).

Během objevování příčin toho, proč experiment dopadl tak, jak dopadl, je důležité změřit teplotu u dna a u povrchu v obou skleničkách. Na to se nehodí obyčejný teploměr, místo něj je vhodné použít bodové teplotní čidlo (měří v bodě, má malou tepelnou kapacitu i rozměry, takže vzorek příliš neovlivňuje ani nepromíchává a také měří velmi rychle, bez velké setrvačnosti). Osvědčil se mi bodový teploměr Vernier STS-BTA. Teplotu můžete navíc promítat dataprojektorem celé třídě spolu s obrazem z ProScopu.

Pokud nemáte více bodových čidel, úplně stačí použít jeden teploměr s rozhraním Vernier Go!Link a proměřit všechna čtyři místa (u dna i u povrchu v obou skleničkách) postupně. Máte-li více čidel, můžete je zapojit do počítače současně a promítat žákům více teplot najednou, jako je to na obrázku č. 5.

Teploty při jednom z mých experimentů zachycuje následující tabulka.

Druhé provedení experimentu

Jestliže máte čas a žáky experiment zaujal, je vhodné ho nyní provést ještě jednou, tentokrát s cukrem místo soli a s kostkami obarvenými potravinářským barvivem. Můžete to také zadat jako domácí miniprojekt. Prokáže se tak, že výsledek nebyl způsoben chemickou či jinou reakcí se solí a barvivo pomůže zcela jasně demonstrovat rozložení teplot ve skleničkách.

Pokud si chcete vyhrát a máte k tomu dostatečné vybavení, můžete při druhém opakování použít teploměrů více současně (třeba dva nebo čtyři) a předem je pomocí stativu upevnit na příslušná místa, pak lze měřit teplotu i v průběhu rozpouštění. V tom případě se hodí rozhraní Vernier LabQuest, do kterého můžete zapojit všechna čtyři teplotní čidla naráz a opět vše v reálném čase promítat dataprojektorem. 

Na co si dát při experimentu pozor

• dobře solit (nebojte se vytvořit nasycený roztok);
• mít vodu dostatečně teplou (pokojová teplota se osvědčila);
• dát do obou sklenic prokazatelně stejně teplou vodu (proto nalévejte z PET láhve, nikdy ne z kohoutku, protože ze začátku může mít voda výrazně jinou teplotu než na konci napouštění); je dobré vědět, že rozpouštění je mírně endotermické;
• použít pokud možno vysoké úzké sklenice a dostatečně velké kostky ledu;
• mít skleničky i kostky ledu stejné (tvar i velikost);
• při experimentu nemíchat – nechte kostky v klidu;
• pokud jsou žáci extrémně rýpaví (tvrdí, že jedna sklenice je o 5 cm blíž k topení než druhá, kostky nejsou úplně přesně stejně velké atd.), můžete toho využít a nechat je vymyslet, provést a zdokumentovat takové experimenty, které jejich rýpavé námitky potvrdí či vyvrátí; žáci-protivové se tím obvykle nechají odradit, žáci-chytrolíni budou mít co dělat.

Co si z toho mají žáci odnést

Pomocí tohoto jednoduchého experimentu můžete rozvíjet některé klíčové kompetence žáků, ale můžete také upozornit na další souvislosti pozorovaných jevů v běžném životě:

a) Díky různé hustotě teplé a studené vody či vzduchu dochází ke vzniku proudění v hrnci při vaření, v atmosféře, ale také v oceánech.

b) Čím větší je rozdíl teplot dvou předmětů, tím rychleji dochází k tepelné výměně.

Můžete se rovněž blíže zmínit o rozpustnosti látek, nechat žáky samostatně v rámci domácího projektu přijít na to, kolik se dá rozpustit soli či cukru v různě teplé vodě nebo si to aspoň povědět (například dle tabulky na FyzWebu).

Pokud necháte skleničku s cukrovou vodou a roztátým obarveným ledem několik hodin stát, můžete se žáky pozorovat difuzi – postupné pronikání barvy do zbytku sklenice. To je samo o sobě velice zajímavé a může se stát motivací či ilustrací k povídání o struktuře látek a chaotickém pohybu částic.