Мыльная вода замерзает при

Занимательная наука: 7 экспериментов по физике и химии, которые можно поставить зимой на улице

Мороз в кружке

Что проверяем
Как происходит поглощение тепла.

Что понадобится
Железная кружка, соль, вода, блюдце, прихватка или варежки.

В кружку положите снег. В блюдце налейте немного воды, поставьте на него кружку. Затем поверх снега насыпьте 2 столовых ложки соли, перемешайте. Подождите 2 минуты и попробуйте поднять кружку — вы увидите, что блюдце примёрзло к ней. Будьте осторожны: не беритесь за кружку голыми руками, наденьте варежки или используйте прихватки, поскольку в этот момент посуда остынет до –20°!

Почему? Из-за соли температура плавления снега понизится, он начнёт быстро таять, забирая энергию у воды в блюдце. Вода же в этот момент поменяет свой порядок молекул и превратится в лёд.

Мгновенное замерзание

Что проверяем
Как происходит процесс кристаллизации.

Что понадобится
2 бутылки дистиллированной воды — она продаётся в автомагазинах или в отделе бытовой химии, мороз от –10° до –25°, кубик льда.

Как проверяем
Бутылки с чистой дистиллированной водой оставьте на ночь на морозе. Наутро вы увидите, что вода так и не замёрзла. Аккуратно возьмите одну бутылку и резко встряхните её или ударьте по ней. Вода мгновенно превратится в лёд.

Профи для любой задачи

Аккуратно возьмите вторую бутылку и откройте крышку. Разломайте кубик льда на небольшие кусочки и бросьте их в дистиллированную воду. Вы увидите, как пройдёт волна замерзания воды от горлышка до самого дна, словно эффект в фантастическом фильме.

Как мы знаем, при нуле градусов вода замерзает и превращается в лёд. Однако чистая дистиллированная вода в закрытой бутылке способна не замерзать даже при –20°. Весь секрет в том, что в ней отсутствуют примеси, которые могут выступать в качестве центров кристаллизации. При внешнем вмешательстве запускается цепная реакция образования льда: каждый новый кристаллик выстраивается на поверхности предыдущего.

Соль против воды

Что проверяем
Замерзание растворов и растворителей.

Что понадобится
Две литровые пластиковые бутылки, вода, соль.

Возьмите две бутылки и заполните каждую водой наполовину. В одну из бутылок добавьте 2–3 столовых ложки соли, хорошенько перемешайте раствор. Затем вынесите бутылки на улицу, оставьте на час: обычная вода замёрзнет, а солёная нет. Закон такой: растворы замерзают при более низкой температуре, чем растворитель. Чем больше будет концентрация соли, тем ниже должна быть температура, при которой раствор замёрзнет.

Удивительные жидкости

Что проверяем
Замерзание различных жидкостей.

Что понадобится
3 пластиковых стаканчика, вода, молоко, ацетон.

Три разных жидкости налейте в пластиковые стаканчики и оставьте на морозе на ночь. Стаканчик с ацетоном обязательно накройте крышкой, так как это вещество имеет резкий запах и ядовито.

Наутро вы обнаружите, что молоко и вода замёрзли, а ацетон не изменился вовсе. Верните жидкости в тепло, и вы увидите, что при комнатной температуре молоко расслоится и, возможно, даже свернётся.

Так мы можем сделать вывод, что температура замерзания или плавления веществ зависит в первую очередь от их природы. Например, молоко — это сложная смесь жира и воды. Оно на 90% состоит из воды, поэтому легко замерзает на морозе. Но после размораживания вода и жир расслаиваются, белок разрушается и превращается в хлопья, из-за этого молоко сворачивается.

Переменчивая бутылка

Что проверяем
Зависимость объёма газа от температуры.

Что понадобится
Пластиковая бутылка с крышкой.

Как проверяем
Возьмите пустую пластиковую бутылку, плотно закройте крышкой и вынесите на мороз. Она сожмётся. Так вы увидите в действии закон Авогадро: при постоянном давлении объём газа уменьшается из-за понижения температуры. Когда вы снова зайдёте домой, бутылка вернётся в исходную форму, потому что в помещении температура повысится и газ расширится.

Куда пропал снег?

Что проверяем
Взаимосвязь плотности вещества и массы.

Что понадобится
Стакан, снег, весы.

Возьмите стакан и плотно наполните снегом до самого края. Взвесьте стакан и запишите данные. Подождите, пока снег растает. Затем сравните объём и массу получившейся жидкости с первоначальным объёмом и массой снега. Что мы увидим: объём уменьшился, но масса не изменилась. Делаем вывод, что плотность снега меньше плотности воды.

Ледяное чудо

Что проверяем
Процесс кристаллизации.

Что понадобится
25 г аптечного глицерина, 50 г шампуня или жидкого мыла, 150 мл кипячёной талой или дистиллированной воды, снег.

Как проверяем
Приготовьте мыльные пузыри, смешав глицерин, шампунь и воду. Когда температура за окном будет от –3 до –7°, выйдите на улицу и выдуйте пузырь. Вы увидите, что он не замерзает на таком слабом морозе.

Теперь выдуйте ещё один пузырь и бросьте сверху щепотку снега. Снежинки соскользнут на дно пузыря, и в этом месте начнётся кристаллизация мыльной плёнки. Также можно положить пузырь на снег — примерно через полминуты он превратится в ледяной шарик.

Процесс кристаллизации начинается легче и быстрее, если есть „затравка“ — группа молекул, уже сцепленных определённым образом. По такому принципу, например, происходит рост кристалла в соляном растворе. В нашем случае такой затравкой служит снег — при его добавлении мыльный пузырь замерзает прежде, чем успеет лопнуть

Источник

Как пускать мыльные пузыри на морозе

Для опытов достаточно иметь разведенный в снеговой воде шампунь или мыло, в который добавлено небольшое количество чистого глицерина, и пластмассовую трубку от шариковой ручки. Пузыри легче выдувать в закрытом холодном помещении, так как на улице почти всегда дуют ветры. Большие пузыри легко выдуваются с помощью пластмассовой воронки для переливания жидкостей.

Пузырь при медленном охлаждении переохлаждается и замерзает примерно при –7°C. Коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора незначительно увеличивается при охлаждении до 0°C, а при дальнейшем охлаждении ниже 0°C уменьшается и становится равным нулю в момент замерзания. Сферическая пленка не будет сокращаться, несмотря на то, что воздух внутри пузыря сжимается. Теоретически диаметр пузыря должен уменьшаться в процессе охлаждения до 0°C, но на такую малую величину, что практически это изменение определить очень трудно.

Пленка оказывается не хрупкой, какой, казалось бы, должна быть тонкая корочка льда. Если дать возможность мыльному закристаллизовавшемуся пузырю упасть на пол, он не разобьется, не превратится в звенящие осколки, как стеклянный шарик, каким украшают елку. На нем появятся вмятины, отдельные обломки закрутятся в трубочки. Пленка оказывается не хрупкой, она обнаруживает пластичность. Пластичность пленки оказывается следствием малости ее толщины.

Первые три опыта следует проводить на морозе –15. –25°C, а последний – при –3. –7°C.

Опыт 1

Вынесите баночку с мыльным раствором на сильный мороз и выдуйте пузырь. Сразу же в разных точках поверхности возникают мелкие кристаллики, которые быстро разрастаются и наконец сливаются. Как только пузырь полностью замерзнет, в его верхней части, вблизи конца трубки, образуется вмятина.

Воздух в пузыре и оболочка пузыря оказываются более охлажденными в нижней части, так как в вершине пузыря находится менее охлажденная трубка. Кристаллизация распространяется снизу вверх. Менее охлажденная и более тонкая (из-за отекания раствора) верхняя часть оболочки пузыря под действием атмосферного давления прогибается. Чем сильнее охлаждается воздух внутри пузыря, тем больше становится вмятина.

Опыт 2

Опустите конец трубки в мыльный раствор, а затем выньте. На нижнем конце трубки останется столбик раствора высотой около 4 мм. Приложите конец трубки к поверхности ладони. Столбик сильно уменьшится. Теперь выдувайте пузырь до появления радужной окраски. Пузырь получился с очень тонкими стенками. Такой пузырь ведет себя на морозе своеобразно: как только он замерзает, так сразу лопается. Так что получить замерзший пузырь с очень тонкими стенками никогда не удается.

Толщину стенки пузыря можно считать равной толщине мономолекулярного слоя. Кристаллизация начинается в отдельных точках поверхности пленки. Молекулы воды в этих точках должны сблизиться друг с другом и расположиться в определенном порядке. Перестройка в расположении молекул воды и сравнительно толстых пленках не приводит к нарушению связей между молекулами воды и мыла, тончайшие же пленки разрушаются.

Опыт 3

В две баночки налейте поровну мыльный раствор. В одну добавьте несколько капель чистого глицерина. Теперь из этих растворов один за другим выдуйте два приблизительно равных пузыря и положите их на стеклянную пластинку. Замерзание пузыря с глицерином протекает немного иначе, чем пузыря из раствора шампуня: задерживается начало, и само замерзание идет медленнее. Обратите внимание: замерзший пузырь из раствора шампуня сохраняется на морозе дольше, чем замерзший пузырь с глицерином.

Стенки замерзшего пузыря из раствора шампуня – монолитная кристаллическая структура. Межмолекулярные связи в любом месте совершенно одинаковы и прочны, в то время как в замерзшем пузыре из того же раствора с глицерином прочные связи между молекулами воды ослаблены. Кроме того, эти связи нарушаются тепловым движением молекул глицерина, поэтому кристаллическая решетка быстро сублимируется, а значит, быстрее разрушается.

Опыт 4

На слабом морозе выдуйте пузырь. Дождитесь, пока он лопнет. Повторите опыт с тем, чтобы убедиться, что пузыри не замерзают, сколько бы их ни выдерживали на морозе. Теперь приготовьте снежинку. Выдуйте пузырь и тут же сбросьте на него сверху снежинку. Она мгновенно соскользнет вниз на дно пузыря. На том месте, где остановилась снежинка, начнется кристаллизация пленки. Наконец, весь пузырь замерзнет. Если положить пузырь на снег – он также через некоторое время замерзнет.

Пузыри на слабом морозе охлаждаются медленно и при этом переохлаждаются. Снежинка является центром кристаллизации. На снегу происходит то же самое явление.

Замороженные пузыри от Aysa

Опыт с пузырями делала и сибмама Aysa

Я еще пару лет назад прочитала, что можно заморозить мыльные пузыри и получатся волшебные ледяные шары. Все хотела попробовать, но руки как-то не доходили, а прошлой зимой и вовсе мороза не было. Сегодня утром проснулась — на градуснике -22, как-то сразу вспомнилось про пузыри, собралась и пошла.
В инструкции говорилось, что надо дуть пузыри из раствора мыла. Но из него они получались мутные и не красивые. А вот из бутылочки с мыльными пузырями, но с помощью соломинки получались маленькие симпатичные пузырики, которые замерзали красивыми узорами.

Источник: «ЗнайКак.ру»
19.08.2007,
обновлено 13.01.17

Источник

Замерзающие мыльные пузыри получили физическое объяснение. И это просто красиво

Мыльный пузырь образуется за счет особого строения молекул мыла или иного поверхностно-активного вещества (ПАВ). Эти вещества устроены так, что их молекулы с одной стороны хорошо притягиваются к воде (проявляют гидрофильные свойства), и при этом их другая сторона, напротив, стремится отодвинуться от воды на возможно большее расстояние (гидрофобные свойства). Молекулы поверхностно-активных веществ могут сформировать пузырь с двойными стенками и водой между ними. При этом гидрофобные концы молекул тогда смотрят наружу, а гидрофильные обращены внутрь, в заполненный водой тонкий слой. Толщина стенки мыльного пузыря не превышает одного микрометра, иногда она бывает и на порядок тоньше, десятки нанометров (0,01 мкм), и с точки зрения физики заключенная внутри стенки пузыря вода образует практически двумерную поверхность.

Эта двумерность, как ученые показали в новой статье на страницах Nature Communications, играет ключевую роль в одном из двух возможных сценариев замерзания пузыря. Если он окружен холодным воздухом, то вода в стенке начинает замерзать, но ее кристаллики не остаются на месте, а уходят в сторону за счет эффекта Марагони. Так, в честь описавшего его итальянского физика называют течение, возникающее из-за разности сил поверхностного натяжения. Оно растаскивает кристаллики льда, и пузырь начинает замерзать одновременно в нескольких местах. В морозильной камере с температурой –25 °С пузырь замерз и остыл до температуры окружающей среды меньше чем за полминуты. Определить это удалось при помощи показывающего температуру предметов тепловизора.

Другой случай, который изучили физики, — замерзание при комнатной температуре воздуха и в контакте с холодной поверхностью. Взяв элемент Пельтье (полупроводниковый прибор, который при пропускании тока с одной из сторон сильно охлаждается), ученые увидели, как стенка пузыря начинает медленно замерзать в месте контакта с холодом и потом постепенно превращается в лед целиком. Замерзание проходило за счет теплопроводности стенок, и это оказался намного менее стремительный процесс: даже небольшой, около сантиметра в диаметре, пузырь через полминуты замерзал от силы на треть от всей поверхности. Более того, спустя десять минут верхушка пузыря оставалась комнатной температуры, что логично, если учесть низкую теплопроводность очень тонкой стенки.

Вода внутри стенки мыльного пузыря в сценарии с охлажденной до –40 °С пластиной играла роль «мостика холода» — объекта, по которому распространяется тепло или (что то же самое) холод. Пленка толщиной в сотни нанометров не может пропускать очень большой тепловой поток, поэтому еще не замерзшая часть пузыря теряла через нее тепло очень медленно. А вот вопрос, почему при замерзании пузыря на морозном воздухе возникает эффект Марагони, потребовал от ученых отдельных изысканий.

Исследователи последовательно перебрали несколько версий. Эффект Марагони связан с силами поверхностного натяжения, которые, в свою очередь, зависят от температуры (чем она выше, тем эти силы меньше), а лед при замерзании выделяет тепло. Эти два факта позволили ученым найти разгадку. Когда в каком-то месте появляется снежинка, вода вокруг уже остыла ниже точки замерзания и стала переохлажденной жидкостью. Но ее превращение в лед выделяет тепло, повышает температуру и, следовательно, создает локальный разогретый участок. Там, где есть разница температур, возникает и разность сил поверхностного натяжения, и эффект Марагони.

Подытожив результаты своих опытов, авторы исследования также построили диаграмму зависимости режима замерзания мыльного пузыря от температуры извне и температуры раствора, из которого пузырь выдувается. При нагреве свыше определенной (зависящей от состава) отметки пузыри не замерзают в принципе, при теплом воздухе вокруг они могут застыть только вблизи контакта с холодной поверхностью. Если же вынести их на морозный (ниже температуры замерзания раствора) воздух, в пузярых возможен эффектный и занимающий считанные секунды рост кристаллов.

На вопрос о том, зачем потребовалось изучать пузыри, физики отвечают так: это красиво, и не только с точки зрения внешнего вида замерзающего мыльного пузыря. Стоящая за явлением физика (то, что скрытая теплота кристаллизации расталкивает растущие кристаллы) тоже оказалась достаточно нетривиальной, и, как указывают исследователи, долгое время ученым не удавалось найти детального объяснения феномена.

Алексей Тимошенко

Источник