Závody kostek ledu

GDX-ST
GDX-ST
Go Direct bodové teplotní čidlo

Experiment lze provádět i zcela bez měřicího systému. S využitím bodového teploměru z experimentu ovšem vytěžíte pro žáky ještě více, protože budete moci změřit teplotu vody v různých hloubkách pod hladinou.

Záměr

Pomocí této aktivity si mohou žáci trénovat pozorování a schopnost popsat pozorovaný jev.
V závislosti na provedení mohou též navrhovat a ověřovat hypotézy.

Pomůcky

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.

Příprava kostek ledu

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 (0,5–2 cm) vodou z velké nádoby.

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

Poznámka k názvosloví: Doporučujeme důsledně se vyhýbat pojmu "sladká voda". Používejte termín "obyčejná voda". V další části experimentu se totiž místo soli může použít cukr, takže voda bude doopravdy sladká.

Poznámka k teplotě vody: Ve skutečnosti voda není úplně stejně teplá, rozpuštění soli (i cukru) je endotermický proces, vede k mírnému ochlazení asi o stupeň nebo dva (experiment Změna teploty při rozpouštění). 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

S vysokou spolehlivostí se vždy rozpustí dříve kostka v obyčejné vodě (při dodržení uvedených postupů jsme ještě nikdy nezaznamenali opak, a to už máme za sebou mnoho desítek opakování).

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

schéma měření

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.

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 roztaje dříve, případně zda to dopadne nerozhodně. Můžete počty jednotlivých tipů zaznamenat na tabuli.  Pokud máte čas, nechte žáky odůvodňovat své tipy, uvádět protiargumenty, vyvolejte diskusi. Zkuste žáky postrčit, 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 se žáky dívejte, která kostka roztaje dříve a která později. Během tání se můžete věnovat se třídou jiné činnosti, jen kostky po očku hlídejte, a až bude jedna z nich skoro celá roztátá, vraťte se k tomuto experimentu.

Led téměř jistě roztaje mnohem dříve v neosolené vodě, typicky do pěti minut. Teprve za dalších pět až deset minut roztaje všechen led i ve vodě osolené, jak ukazují úvodní obrázky.

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 hladiny 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).

Pokud nemáte více bodových čidel, úplně stačí použít jeden teploměr a proměřit všechna čtyři místa (u dna i u povrchu v obou skleničkách) postupně. Máte-li více čidel, můžete je připojit současně a promítat žákům více teplot najednou.

Navazující aktivity

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.

Na obrázku níže je dvojice sklenic na začátku experimentu (vlevo) a na jeho konci (vpravo). V levé sklenici je obyčejná voda, v pravé nasycený roztok NaCl. V levé sklenici můžeme pozorovat klesání odtávající studené obarvené vody ke dnu, v pravé sklenici se odtávající voda drží u hladiny. Po několika hodinách bychom v pravé sklenici mohli pozorovat pomalou difuzi barviva do zbytku kapaliny.

fotografie z experimentu


Na co si dát při experimentu pozor

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 komíně, 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. Zkoušeli jsme takto také pozorovat difuzi při různých teplotách – i to by mohlo být zajímavým námětem na žákovský miniprojekt.
 

Zdroje inspirace


© 2022 Edufor s. r. o. – výhradní dovozce produktů Vernier do České republiky