Солёный снег и его особенности
Зима в самом разгаре! В это время можно сделать множество интересных экспериментов, которые летом не так-то просто провести.
При смешивании соли со снегом наблюдаются два процесса:
1) разрушение кристаллической решетки соли, который происходит с поглощением тепла;
2) гидратация (взаимодействие воды с химическими соединениями) ионов, который происходит с выделением тепла в окружающую среду.
Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды.
Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0°C. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0°C, его посыпают этими солями.
Солёный лёд в природе
В XVII веке существовало убеждение о том, что прочный лёд может образоваться при замерзании лишь пресной воды, а морская вода из-за своей солёности не может дать прочного льда. Как полагали, лёд, образующийся при замерзании морской воды, должен быть обязательно непрочным и рыхлым. Поэтому в те времена, с упорством, достойным лучшего применения, снаряжались экспедиции к Северному полюсу, заранее обречённые на неудачу – парусники всякий раз застревали во льдах. Из морской воды образуется исключительно прочный многолетний полярный лёд (паковый лёд), при низких температурах он может быть настолько твёрдым, что о него расплющиваются свинцовые пули; к тому же многолетний полярный лед дает при таянии практически пресную воду. Морской лёд жители Севера употребляют в пищу. Лёд они выбирают старый, многолетний, так как он малосолёный, а свежезамёрзший морской лёд солёный. Сам процесс замерзания морской воды оказывается сложным. Здесь весьма важны два момента.
Во-первых, температура замерзания солёной воды, или, как говорят в народе, рассола, уменьшается по мере по мере возрастания степени солёности. Степень солёности – это доля соли в рассоле (γ). Когда доля соли в рассоле составляет, например, при γ0,05 (50 грамм на 1 кг. рассола), температура замерзания равна -2,8а при γ0,1 температура замерзания понижается до -6,4.
Во-вторых, кристаллическая решётка льда может образовываться лишь из атомов кислорода и водорода – она не допускает замены этих атомов какими-либо другими. Отсюда следует, что сами кристаллы льда – это всегда чистый лёд, независимо от того, из какой воды он образовался, пресной или солёной. При замерзании рассола лёд образуется только из растворителя (чистой воды), а соли концентрируются в жидком рассоле. По мере образования льда концентрация солей в рассоле будет возрастать. А это, в свою очередь, означает, что температура замерзания будет уменьшаться – в результате весь процесс замораживания затормозится. Когда-то, на основании проделанных опытов по замерзанию морской воды, М. В. Ломоносов сделал следующий вывод: «Морская вода даже при самом сильном холоде не замерзает до твердого и чистого льда, но лишь застывает как некое сало, не прозрачное и сохраняющее соленость воды Крепкий лед не может образоваться в самом море». На эту же мысль наводят и наблюдения над молодым морским льдом, который иногда при резком и очень сильном похолодании, вдруг за одну ночь покрывает поверхность моря. Лёд этот (в настоящее время его называют ниласом), плотно «нашпигован» гнёздами с жидким рассолом, поэтому он очень эластичен, он изгибается на морской волне, и не прочен, не выдерживает человека. Но М. В. Ломоносов не учёл двух обстоятельств, которые не играют роли, когда морская вода находится в пробирке, но очень важны, когда она находится в открытом море.
Во-первых, в открытом море, концентрация солей в рассоле, в котором начал образовываться лёд (нилас), не возрастает. Это объясняется тем, что плотность солёной воды растёт (при данной температуре) с увеличением её солёности. Поэтому в море одновременно с повышением солёности поверхностных слоёв рассола будет происходить опускание этих слоёв в глубину. На смену им из глубины будут подниматься воды, имеющие концентрацию солей, соответствующую исходной.
Во-вторых, образовавшиеся внутри льда гнёзда рассола с течением времени перемещаются в направлении, в котором увеличивается температура и выходят наружу – происходит интересное явление самоопреснения морского льда. Этот процесс осуществляется вследствие того, что лёд в гнезде подтаивает с той стороны, где температура выше, и намерзает со стороны, где температура ниже. В результате гнездо смещается в направлении возрастания температуры, то есть сверху вниз. Процесс самоопреснения морского льда является и процессом его упрочнения. Благодаря этому процессу в открытом море формируются целые поля прочного многолетнего льда, который трудно отличить от льда, образующегося при замерзании пресной воды.
Экспериментальные исследования
1. Наблюдение процесса таяния смеси снега и соли.
Приборы и материалы: кастрюля со снегом, поваренная соль.
Содержание и методы выполнения эксперимента:
Занесём в комнату кастрюлю со снегом и поставим её на мокрый табурет. Снег в кастрюле начнёт таять за счёт поглощения тепла из окружающей среды: от воздуха в комнате, от воды на табурете и т. д. Вследствие того, что в первую очередь тепло отбирается от воды на табурете, вода превращается в лёд. Кастрюля даже примерзает к табурету. Добавим в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении 1:6. Тщательно перемешаем смесь. Кастрюля сильнее примёрзла к табурету.
Выводы: 1. Соль понижает точку таяния льда
2. Для плавления необходима дополнительная энергия
2. Исследование зависимости температуры кристаллизации воды от концентрации соли
Приборы и материалы: Сосуд с чистой водой, термометр, сосуды с рассолами разной солёности
Содержание и методы выполнения эксперимента:
Вынесем на мороз сосуды с чистой водой и с соляными растворами разной солёности, Пронаблюдаем процесс кристаллизации. Данные наблюдения занесём в таблицу.
В результате наблюдений выяснилось, что процесс замерзания солёных растворов, а значит и морской воды в природе, сложный. Видно, что куски льда плавают в рассоле и что некоторая часть рассола оказывается внутри кусков льда ( в кусках льда возникают продолговатые гнёзда, заполненные рассолом). Значит, при замерзании рассола лёд образуется только из растворителя (чистой воды), а соли концентрируются в жидком рассоле. Очевидно, что по мере образования льда концентрация солей в рассоле будет возрастать. А это означает, что температура замерзания будет уменьшаться – в результате весь процесс замерзания затормозится.
Таблица №1
Температура , °C
Чистая вода 0,1 % 0,2 % 0,3 % 0,4 % 0,5 %
18. 30 0°С -4°С -4°С -5°С -5°С -5°С
Начало замерзания
19. 20 0°С -5°С -10°С -11°С -11°С -11°С
Начало замерзания
20. 20 Полное замерзание. -5°С -11°С -14°С -14°С -14°С
21. 20 -12°СПолное -17°С -17°С -17°С
замерзание
22. 20 -18°С -18°С
Начало замерзания
23. 20 -18°С -19°С
08. 00 -20 Замёрзла -21°С
наполовину
23. 00 Не замёрзла Выводы: 1. Чистая вода быстро превратилась в лед (через 2 часа), а соленые растворы замерзают намного дольше и температура замерзания соляных растворов намного ниже.
2. Замерзание чистой воды началось при температуре 0 и температура не понижалась до тех пор, пока вся она не превратилась в лёд.
3. По мере понижения температуры рассолы мутнеют и постепенно густеют.
4. Температура замерзания рассола понижается по мере возрастания степени солёности.
5. Лёд, образованный чистой водой, твёрдый, прозрачный, а солёный лёд – мягкий (как некое сало), непрозрачный.
3. Получение фруктового мороженного
Оборудование: пластиковый стакан, кастрюля с чистым и солёным снегом, сок.
Содержание и методы выполнения эксперимента:
Опустим в чистый снег и в смесь снега с солью стаканы с соком. Пронаблюдаем и сделаем вывод.
Выводы: Чистый снег охлаждает сок, не замораживает. Соль понижает точку таяния льда. Это означает, что большее количество тепла отбирается у раствора при замораживании. Это свойство солёного снега использовалось для приготовления мороженного.
Основные выводы:
. 1. Соль понижает точку таяния льда
2. Для плавления необходима дополнительная энергия
3. Чистая вода быстро превратилась в лед (через 2 часа), а соленые растворы замерзают намного дольше и температура замерзания соляных растворов намного ниже.
4. Замерзание чистой воды происходит при температуре 0 и температура не понижается до тех пор, пока вся она не превратилась в лёд.
5. По мере понижения температуры рассолы мутнеют и постепенно густеют.
6. Температура замерзания рассола понижается по мере возрастания степени солёности.
7. Лёд, образованный чистой водой, твёрдый, прозрачный, а солёный лёд – мягкий (как некое сало), непрозрачный.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что методы экспериментальной физики позволяют понять и объяснить сложные, распространённые явления окружающей природы с помощью легкодоступных средств и простого физического оборудования. Наши эксперименты позволяют ответить на вопросы: Как происходит замерзание солёных растворов? Почему молодой морской лёд настолько эластичен, что может прогибаться на волнах?, но не могут ответить на вопрос: Почему в открытом море образуется твёрдый полярный лёд? Дело в том, что при наблюдении процесса замерзания морской воды (солёность морской воды 0,035) в пробирке невозможно учесть два обстоятельства, которые играют существенную роль в естественных условиях, т. е. в открытом море. Во-первых, в открытом море концентрация солей в рассоле, в котором начал образовываться лёд (нилас) не возрастает. Дело в том, что плотность солёной воды растёт, поэтому в море одновременно с повышением солёности поверхностных слоёв рассола будет происходить опускание этих слоёв в глубину. На смену им поднимутся глубинные воды, имеющие меньшую концентрацию солей. Во-вторых, образовавшиеся внутри льда гнёзда рассола с течением времени перемещаются в направлении, в котором увеличивается температура, и рано или поздно выходят наружу- происходит явление самоопреснения морского льда. С той стороны, где температура выше, лёд в гнезде подтаивает, а с той стороны, где температура ниже, намерзает. В результате гнёзда рассола перемещаются сверху вниз, т. е. в направлении возрастания температуры. Благодаря этому процессу в открытом море формируется прочный многолетний лёд, который трудно отличить от льда, образующегося при замерзании пресной воды.
В больших городах используют солёный снег в качестве дешевого противогололёдного покрытия. Однако, практика показала, что солевые растворы оказывают вредное воздействие на окружающую среду, но это уже тема следующих исследований.
Съёмка цифровой фотокамерой с выводом информации на компьютер позволила задержать во времени, остановить, «увеличить» (растянуть) интересные моменты опытов. Мой проект связывает интересные физические явления с теорией и позволяет дополнить наглядный ресурс, используемый учителем на уроках, который помогает привлечь внимание учеников, заинтересовать их темой урока.
Комментарии