Experimentárium - časť 2. - Horúci ľad

in Česky!4 months ago

Horúci ľad? Čo je to za nezmysel? Veď to je oxymoron! No... nie tak celkom, pretože dnes si taký urobíme :)


experimentarium.png

V predchádzajúcej časti Experimentária sme si ukázali, ako prebieha reakcia octu (kyseliny octovej) a sódy bikarbony (hydrogenuhličitanu sodného) a trochu sme sa pohrali s bublinkami CO2, ktoré pri tejto reakcii vznikajú. To až také zaujímavé nebolo, pretože väčšina z nás už má s takýmto "bublinkovaním" bohaté skúsenosti. Málokto už ale vie, že veľmi zaujímavý je aj ďalší z produktov tejto rekacie, ktorý nám po nej ostal vo výslednom roztoku - octan sodný. A práve na ten sa bližšie pozrieme v dnešnej druhej časti Experimentária.

Z predchádzajúcej časti už vieme, že pri reakcii octu a sódy bikarbony v konečnom dôsledku vzniká voda (ktorej tam už predtým bola väčšina), oxid uhličitý (ktorý vo forme bubliniek uniká preč) a octan sodný.

NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + H2O + CO2

Po bublinkovom teátre nám teda v nádobe, v ktorej reakcia prebiehala, ostane vodný roztok octanu sodného. Tento sme pri detských hrách vyliali, pretože "všetko čo sa mohlo stať, sa už stalo", tak načo by nám bol dobrý. A to bola chyba.

Aké má teda octan sodný vlastnosti a čo sa s ním dá robiť?

Začnime tým, že je to soľ. Podobne ako väčšina solí, aj octan sodný je pri izbovej teplote tuhou kryštalickou látkou. Ak by sme teda z vyššie uvedeného roztoku začali postupne odstraňovať vodu, napr. tým, že by sme ho začali variť, v určitom momente by sme mali dosiahnuť nasýtený roztok. To jest taký, že pri danej teplote sa už v danom objeme vody viac tejto soli nedokáže rozpustiť. Ak by sme vo varení pokračovali a vody z roztoku ubrali ešte viac, mali by sme pozorovať postupné vytváranie kryštálikov octanu sodného, ktorý sa už do daného objemu vody v rozpustenom stave "nezmestil".

Poznámka: Množstvo soli, ktoré sa dokáźe v danom objeme vody rozpustiť, klesá aj s klesajúcou teplotou. Práve túto vlastnosť neskôr využijeme.

Aby to ale nebolo až také jednoduché, v dnešnom experimente nás nebude až tak zaujímať samotný (čistý) octan sodný, ale jeho kombinácia s vodou. V prítomnosti dostatočného množstva vody totiž octan sodný vytvára trihydrát, čo znamená, že pri kryštalizácii sa do jeho kryštalickej štruktúry ku každej molekule octanu sodného zabudujú aj tri molekuly vody. Dôležité je to preto, že sa tým vytvorí v podstate iná látka, ktorá má pre nás zaujímavé vlastnosti. A keďže dostatok vody v našom prípade je, kryštáliky, ktoré sa nám začnú vytvárať, nie sú kryštáliky octanu sodného, ale práve jeho trihydrátu.

Trihydrát octanu sodného sa topí pri cca 58 °C [1]. Topenie v tomto prípade znamená, že molekuly octanu sodného sa rozpustia vo vode, ktorá je zabudovaná priamo v jeho kryštalickej štruktúre, čím sa opäť vytvorí jeho roztok. Po opätovnom schladení pod 58 °C by mal znova skryštalizovať vo forme trihydrátu. K tomu ale potrebuje nukleačné jadrá, t.j. nejaké zárodky kryštálov, alebo aspoň nejakú nečistotu, prípadne "poruchu" v roztoku. Ak sa ale nič také v danom roztoku nenachádza, ďalším ochladením sa vytvára tzv. presýtený roztok. To je, ľudovo povedané, roztok, ktorý už mal skryštalizovať (prejsť do pevného skupenstva), ale nejak nemá ako / kde začať a preto ostáva v kvapalnej forme. Vytvorenie akéhokoľvek zárodku kryštalizácie potom spôsobí "reťazovú reakciu" a skryštalizovanie celého objemu tohto presýteného roztoku.

V prípade trihydrátu octanu sodného sa takýto presýtený roztok vytvára pomerne ľahko a na jeho skryštalizovanie stačí napr. aj "prasknutie" pliešku, ktorý je v ňom umiestnený (to vytvorí krátkodobé lokálne zhustenie, čo je dostatočným impulzom na spustenie kryštalizácie). Tu už asi tušíte, že trihydrát octanu sodného sa používa napr. aj vo vyhrievacích poduškách, ktoré sa po "prasknutí" pliešku akoby zázrakom zohrejú. Tento ohrev je spôsobený tým, že fázový prechod z presýteného roztoku na kryštalickú fázu je v tomtoprípade exotermický proces, pri ktorom sa vytvára teplo. No a práve podobnosť teto kryštalickej fázy s ľadom a pomerne veľké množstvo tepla, ktoré sa pri jej kryštalizácii vytvorí, dali tejto látke prezývku "horúci ľad". Výhodou je, že po prevarení (v princípe by malo stačiť dostatočne dlhé zahriatie nad 58 °C) sa tento skryštalizovaný trihydrát znova roztopí (zmení na roztok) a dá sa opakovane použiť.

Ale dosť bolo rečí, poďme rovno na vec a pokúsme sa takýto "horúci ľad" vyrobiť.

K tomuto experimentu budeme potrebovať:

  • 1 hrniec na varenie (nie medený)
  • 3 polievkové lyžice sódy bikarbony
  • cca 1 liter 5% octu, alebo zhruba 625 ml 8% octu
  • čistú nádobu, do ktorej nalejeme výsledný (podotýkam, že horúci) roztok



Čo sa týka množstva octu a sódy bikarbony, nebudem tu podrobne rozvádzať, ako sme sa dostali práve k uvedeným hodnotám. Pointou ale je, že chceme mať v ideálnom prípade rovnaký počet molekúl kyseliny octovej a sódy bikarbony, aby mohli zreagovať naozaj všetky (to sú tie prepočty molov na gramy, ktoré sa občas trénujú v školách na hodinách chémie).

Postup je pomerne jednoduchý:

  1. V hrnci na varenie zmiešame vyššie uvedené mnoštvo octu a sódy bikarbony a za občasného premiešame počkáme, kým reakcia úplne skončí (bublinkovanie úplne prestane). (Tým sme získali roztok octanu sodného)

  2. Ak máme podozrenie, že sa v roztoku nachádzajú ešte nejaké kryštáliky sódy bikarbony, pridáme trochu octu a znova premiešame. (Kryštáliky sódy bikarbony by pôsobili ako zárodky kryštalizácie a celý experiment by nám pokazili. Ak tam bude trochu viac octu ako treba, to až tak nevadí.)

  3. Teraz sa potrebujeme zbaviť prebytočnej vody, ktorá tvorí väčšinu roztoku. To urobíme tak, že ho začneme variť. Odparenie prebytočnej vody bude trvať pomerne dlho, odhadom cca hodinu (samozrejme to vysoko závisí od toho, na aký veľký oheň hrniec postavíme).

  4. Keď sa odparí cca 90% vody a na povrchu roztoku sa začne vytvárať film, je načase varenie ukončiť. V tomto momente sme totiž dosiahli nasýtený roztok.

  5. Výsledný roztok zbavený prebytočnej vody prelejeme do inej čistej nádoby (musí byť naozaj čistá, akákoľvek nečistota by totiž mohla poslúžiť ako kryštalizačné jadro a pokaziť by ďalší priebeh experimentu). V ideálnom prípade sa toto preliatie snažíme urobiť tak, aby sa nám do novej nádoby dostal iba čistý roztok, bez kryštálikov, ktoré sa vytvorili na okrajoch hrnca.

  6. Nádobu s výsledným roztokom zakryjeme (akákoľvek nečistota nám môže celý experiment pokaziť, taktiež sa tým snažíme zabrániť prílišnému ďalšiemu odparovaniu vody) a necháme vychladnúť na izbovú teplotu. Tým, že sa roztok ochladí, sa z nasýteného stane roztok presýtený (viď poznámka o vplyve teploty vyššie).

  7. V tomto momente môžme pristúpiť k podstate dnešného experimentu. Do roztoku vložíme zárodok kryštalizácie. Ideálne sú kryštáliky samotného trihydrátu octanu sodného, ktoré môžme zošrabať z hrnca, v ktorom sme roztok varili. Celý roztok nám po vložení zárodku takmer okamžite skryštalizuje. Kryštáliky trihydrátu octanu sodného tiež môžme nasypať na podložku a presýtený roztok na nich začať pomaly vylievať. Ten po kontakte aj v tomto prípade začne okamžite kryštalizovať, čo postupne vytvorí pekný stalagmit.

  8. Dotykom si môžme overiť, že tento vytvorený "ľad" je pomerne horúci.

Keďže je ale lepšie raz vidieť ako 100-krát čítať, poďme sa pozrieť ako to vyzerá, keď sa tento experiment podarí.

Poznámka: Vidá uvedené nižšie obsahujú aj návody na prípravu "horúceho ľadu". Tieto návody môžu byť odlišné od toho, ktorý sme popísali v tomto článku, tiež sa môžu líšiť navzájom. Spôsobov prípravy presýteného roztoku octanu sodného je totiž viacero, všetky ale vedú k viac-menej rovnakému výsledku.


Dúfam, že sa vám dnešný experiment páčil. Nabudúce sa ešte naposledy pohráme s octom a sódou bikarbonou, pridáme už ale aj trochu fyziky :)


Literatúra:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_acetate

Sort:  

Yay! 🤗
Your content has been boosted with Ecency Points, by @timehacker.
Use Ecency daily to boost your growth on platform!

Support Ecency
Vote for new Proposal
Delegate HP and earn more

Congratulations @timehacker! You have completed the following achievement on the Hive blockchain and have been rewarded with new badge(s):

You received more than 6000 upvotes.
Your next target is to reach 7000 upvotes.

You can view your badges on your board and compare yourself to others in the Ranking
If you no longer want to receive notifications, reply to this comment with the word STOP

Check out the last post from @hivebuzz:

Hive Power Up Month - Feedback from April day 6
NFT for Peace - Feedback and new city
Our Hive Power Delegations to the March PUM Winners
Support the HiveBuzz project. Vote for our proposal!