איך מים יכולים להישאר במצב צבירה נוזלי גם בטמפרטורה נמוכה מ0 מעלות?

 

חומרים:

  • קערה עם קרח גרוס
  • מלח
  • כוס עם מים (רצוי מזוקקים)
  • כפית
20160805_230953

 

אז מה עושים?

מלאים קערה בקרח גרוס

מניחים במרכז הקערה כוס עם מים (רצוי מזוקקים)

*יש לשים לב שגובה הקרחגבוה מגובה המים.

מפזרים בנדיבות מלח על הקרח מסביב לכוס

שימו לב שלא נשפך מלח לתוך הכוס.

ממתינים חצי שעה ומוציאים בזהירות את הכוס מתוך הקערה.

זורקים קוביה קטנה של קרח למים

מה ניתן ללמוד?

בניסוי זה אנו רואים כמה תופעות, ראשית ניתן לראות מים נוזליים בטמפרטורה מתחת לאפס, איך זה ייתכן? הרי מים קופאים בטמפרטורה של 0 מעלות. האם למלח שהוספנו יש תפקיד בתפעה זו? מהו? מדוע אנו מוסיפים למים מלח?

שנית אנו רואים שכאשר זורקים גביש קרח למים הקרים הם הופכים לקרח באחת. מה בעצם קרה כאן, למה שגביש הקרח הקטן יגרום לתופעה כזו?

 

מים מתחת לאפס

מים כידוע הופכים לקרח בטמפרטורה של אפס מעלות צלסיוס, אם ניקח קרח ונניח אותו מחוץ למקפיא הקרח יספוג חום (אנרגיה) מהסביבה ויותך חזרה למים נוזליים  (תהליך הפיכת קרח מוצק למים נוזליים נקרא היתוך ולא התמוססות כמו שנהוג לומר), התהליך שבו קרח הופך למים גורם למים להתקרר כי הוא דורש אנרגיה (לשבירת הקשרים בין מולקולות המים) האנרגיה הזו מגיעה מהסביבה. כך חלק מהקרח הופך למים, מתקרר ומפסיק להפשיר, סופג עוד קצת אנרגיה מהסביבה ושוב עוד חלק ממנו ניתך וחוזר חלילה, לכן הקרח והמי הקרח יהיו בטמפרטורה של אפס מעלות עד שכל הקרח יהפוך למים נוזליים.

כאשר אנו מוסיפים מלח למים המלח גורם להורדה של נקודת הקיפאון של המים ומאפשר להם להיות נוזליים בטמפרטורה נמוכה יותר, לכן הקרח הופך למים נוזליים במהירות. כמו שאמרנו תהליך הפיכת הקרח למים הוא תהליך שדורש אנרגיה לצורך פירוק הקשרים בין מולקולות המים וכך המים מתקררים יותר ויותר ויכולים להגיע בצורה זו לטמפרטורה של עד 20 מעלות מתחת לאפס.

חוץ מניסויים מדעיים יש לתופעה זו גם ערך שימושי, בחורף כאשר קר מאוד והכבישים מתכסים בקרח (בחרמון או בירושלים לדוגמא) מפזרים מלח על הכביש, המלח כאמור מאפשר למים להשאר במצב צבירה נוזל גם בטמפרטורות שמתחת לאפס ומונע מהכביש לקפוא.

אפשר גם להשתמש בעקרון מדעי זו כדי להכין גלידת שמנת תוך חמש דקות (לחצו כדי לראות את הניסוי)

ועכשיו לתופעה השניה, מדוע המים שבכוס שאין בהם מלח לא קופאים? מדוע הוא קופאים רק כשמכניסים לתוכם קרח.

תופעה זו נקראת מים מקוררים בייתר.

כאשר חומר הופך ממצב צבירה נוזלי למצב צבירה מוצק הוא משנה את המבנה המרחבי שלו ממצב של אי סדר ותנועה חופשית של המולקולות למבנה גבישי ומסודר, המעבר הזה מחייב את פליטת האנרגיה התנועתית המיותרת אל הסביבה.

כשאנו שמים מים בסביבה קרה (מקרר או מי קרח) אנו למעשה שואבים מהם את אנרגיית החום וגורמים למולקולות של הנוזל להאט ממהירותן עד שהן נעות מספיק לאט בשביל לעשות את המעבר ממצב נוזלי למצב מוצק, אך הקור והאטת המהירות כשלעצמה אינה מספיקה, צריך גם להתרחש השינוי המבני אל הגביש. השינוי הזה צריך מספר תנאים כדי להתקיים. בעיקר  הוא צריך את הגרעין הראשוני של הגביש שאליו תצטרפנה שאר מולקולות המים כמו אבני לגו קטנות שמתלבשות על מבנה קטן ומגדילות אותו. בד"כ כל מיני חלקיקים במים משמשים כנקודת התגרענות אך כאשר משתמשים במים מזוקקים אין חלקיקים במים, גם העובדה שאנו מקררים את המים באופן מאוד מהיר לא מאפשרת מספיק זמן לנקודת ההתגרענות הראשונית להופיע.

כך למעשה אנו מקבלים מים מקוררים ביתר, מים שמבחינת טמפרטורה היו אמורים להיות קפואים, אך עדיין לא נוצרה בהם נקודת הגירעון שמאפשרת את תחילת התהליך.

כאשר אנו מכניסים גביש קרח קטן למים אנו למעשה מספקים את הגרעין שעליו יכולה תגובת הקפאון להווצר ולהתפשט בנוזל.

20160805_234804 20160806_002304 20160806_002018.mp4.Still001 20160805_231333

                                           אהבתם את הרעיון? רוצים להנות מיצירות וניסויים נוספים? הצטרפו לרשימת התפוצה:

[[ טופס מוטמע]]

בנוסף, אני ממליצה בחום לקנות את מארזי המדען המטורף! בכל מארז 20 כרטיסיות עם ניסויים מפתיעים ומרתקים!