MODUŁ 05 · CZĘŚĆ II: STANY SKUPIENIA I PRZEMIANY

Topnienie i krzepnięcie — od lodu do wody i z powrotem

PPrezentacja dla nauczyciela

Włóż kostkę lodu do szklanki i poczekaj. Po chwili lód zamieni się w wodę, choć napój nie musi mieć temperatury stu stopni. W drugą stronę: woda w zamrażarce twardnieje i staje się lodem. Te dwa procesy — topnienie i krzepnięcie — wyjaśnimy ruchem cząsteczek oraz energią, którą trzeba dostarczyć albo odebrać.

odróżnić topnienie od krzepnięcia i wskazać, gdzie potrzebna jest energia,
odczytać temperaturę topnienia z wykresu i wyjaśnić stałą temperaturę podczas topnienia,
porównać ciała krystaliczne i bezpostaciowe oraz wyjaśnić działanie soli na lód.

Topnienie i krzepnięcie

Topnienie to przejście ciała stałego w ciecz. Krzepnięcie to proces odwrotny: ciecz zamienia się w ciało stałe. Obie przemiany dotyczą tej samej substancji — lód topi się na wodę, a woda krzepnie na lód. Nie powstają przy tym nowe cząsteczki; zmienia się ich ułożenie i swoboda ruchu.

Aby stopić ciało stałe, trzeba dostarczyć energię. Cząsteczki w sieci są połączone siłami przyciągania i muszą się od siebie uwolnić. Dopóki lód topnieje, dostarczane ciepło zużywane jest na zrywanie tych połączeń, a nie na podnoszenie temperatury. Dlatego mieszanina lodu i wody pozostaje w 0 °C, dopóki cały lód nie stopnieje.

Przy krzepnięciu jest odwrotnie: cząsteczki ustawiają się w sieć i oddają energię do otoczenia. Woda zamarzająca w naczyniu oddaje więc ciepło i może nieznacznie ogrzać swoje sąsiedztwo.

Liczby robią wrażenie: stopienie 1 kg lodu w 0 °C wymaga około 334 kJ energii. To tyle, ile potrzeba, by podgrzać 1 kg wody o około 80 °C. Ta energia nie ginie — zostaje zmagazynowana w cząsteczkach wody i uwolni się, gdy woda z powrotem zamarznie.

Wyobraź sobie napój z lodem. Lód pobiera ciepło od wody i od otoczenia, dlatego napój długo pozostaje zimny. Gdy lód całkowicie się stopi, woda nie może już pobierać energii na topnienie i napój szybciej się ogrzewa.

Topnienie łatwo pomylić z rozpuszczaniem. Cukier wsypany do herbaty rozpuszcza się — jego cząsteczki mieszają się z cząsteczkami wody, ale cukier nie zmienia stanu skupienia. Lód topnieje, bo jego cząsteczki przechodzą z uporządkowanej sieci do swobodniejszego ruchu w cieczy.

W kuchni i w warsztacie znajdziesz wiele przykładów: masło topi się na patelni, wosk w świecy, a metal w odlewni. Zamarzająca kałuża i sople lodu to przykłady krzepnięcia.

Podczas topnienia energia jest zużywana na rozluźnienie sieci krystalicznej. Podczas krzepnięcia cząsteczki wracają do sieci i oddają energię otoczeniu.

1. Kostka lodu w szklance stopiła się. Co stało się z cząsteczkami wody?

Zmieniły się w inne cząsteczki, bo lód i woda to różne substancje. Zniknęły, bo podczas topnienia materia zamienia się w energię. Zostały w tej samej sieci, ale zaczęły drgać coraz szybciej. Opuściły regularną sieć i mogą przesuwać się względem siebie.

2. Dlaczego podczas topnienia lodu temperatura mieszaniny nie rośnie, mimo dostarczania ciepła?

Ciepło ucieka z naczynia do otoczenia i dlatego temperatura stoi. Energia idzie na rozluźnienie sieci, a nie na szybszy ruch cząsteczek. Lód ma temperaturę wyższą niż woda i dlatego ją wyrównuje. Cząsteczki lodu przestają się poruszać i dlatego temperatura nie rośnie.

3. Który przykład jest krzepnięciem?

Zamarzanie wody w kałuży podczas mroźnej zimowej nocy. Topnienie masła na rozgrzanej patelni podczas smażenia. Rozpuszczanie cukru w gorącej herbacie z cytryną. Parowanie wody z mokrego prania rozwieszonego na balkonie.

Temperatura topnienia

Temperatura topnienia to temperatura, w której dana substancja przechodzi ze stanu stałego w ciekły przy określonym ciśnieniu. Dla czystego ciała krystalicznego jest to jedna, ściśle określona temperatura. Lód topi się w 0 °C przy normalnym ciśnieniu, żelazo w 1538 °C, a sól kuchenna w 801 °C. Dla czystej substancji krystalicznej krzepnięcie zachodzi w tej samej temperaturze co topnienie.

To nie znaczy, że każda substancja ma taką samą temperaturę topnienia. Wosk, szkło i plastelina nie mają jednej ostrej temperatury — o nich opowiemy w następnej sekcji.

Popatrz na wykres. Lód ogrzewany od −20 °C podnosi temperaturę do 0 °C. Potem, mimo dostarczania ciepła, temperatura się nie zmienia, dopóki cały lód nie stopnieje. Dopiero wtedy woda zaczyna się ogrzewać dalej. Ten poziomy odcinek to właśnie topnienie.

Ciśnienie też ma znaczenie. Zwiększenie ciśnienia obniża temperaturę topnienia lodu, ale tylko nieznacznie. Znacznie większy efekt daje sól: rozpuszczona w wodzie obniża temperaturę krzepnięcia, więc lód z solą topi się poniżej 0 °C. Dlatego zimą posypuje się drogi solą — powstaje mieszanina, która pozostaje ciekła w ujemnej temperaturze.

Sól działa także dlatego, że jej jony wciskają się między cząsteczki wody i utrudniają im utworzenie regularnej sieci lodu. Dlatego woda z solą potrzebuje niższej temperatury, żeby zamarznąć.

W domowym doświadczeniu z lodem i solą można uzyskać temperaturę kilka stopni poniżej zera, a przy dużej ilości soli nawet kilkanaście stopni. Mieszanina pochłania ciepło z otoczenia, dlatego jest dobrym „zimnym okładem” do chłodzenia napojów.

Substancja	Temperatura topnienia	Uwaga
lód	0 °C	przy normalnym ciśnieniu
żelazo	1538 °C	czysty metal krystaliczny
wosk	około 50–60 °C	topi się w zakresie temperatur
szkło	brak ostrej wartości	mięknie stopniowo

W czasie topnienia cała dostarczana energia zużywana jest na zmianę stanu skupienia, dlatego temperatura nie rośnie. Po stopieniu lodu woda znów się ogrzewa.

Zrób doświadczenie: lód z solą
Potrzebujesz: dwóch szklanek, kilku kostek lodu (najlepiej rozbitych), dwóch łyżek soli kuchennej, wody i termometru kuchennego.
1. Do obu szklanek włóż po kilka kawałków lodu.
2. Do jednej szklanki dodaj dwie łyżki soli i wszystko wymieszaj.
3. Włóż termometr do szklanki z solą, zapisz temperaturę, a potem zmierz temperaturę w drugiej szklance.
4. Obserwuj, co dzieje się z lodem w obu szklankach.
Przewidź: W której szklance temperatura spadnie poniżej 0 °C? Czy lód stopi się tam szybciej, czy wolniej? Zapisz przewidywanie przed pomiarem.
Wyjaśnienie: Sól obniża temperaturę topnienia lodu, więc mieszanina może być zimniejsza niż 0 °C. Topnienie pochłania ciepło z otoczenia — dlatego szklanka z solą chłodzi mocniej. Na tej samej zasadzie sól usuwa lód z dróg.

4. Czysty lód pod normalnym ciśnieniem topi się w 0 °C. Co dzieje się z temperaturą, gdy lód topnieje powoli w szklance?

Rośnie stopniowo od 0 °C do 100 °C, w miarę jak lód topnieje. Spada poniżej 0 °C, bo topnienie obniża temperaturę. Pozostaje bliska 0 °C, dopóki cały lód się nie stopi. Skacze między 0 °C a 100 °C zależnie od ilości wody.

5. Dlaczego posypywanie oblodzonej drogi solą ułatwia usunięcie lodu?

Sól ogrzewa lód swoją energią i dlatego zamienia go w wodę. Sól obniża temperaturę krzepnięcia wody i lód topi się na mrozie. Sól rozpuszcza lód tak, jak cukier rozpuszcza się w gorącej herbacie. Sól zatrzymuje ciepło w lodzie i przez to przyspiesza jego topnienie.

6. Żelazo topi się w 1538 °C, a lód w 0 °C. Co z tego wynika?

Żelazo potrzebuje znacznie wyższej temperatury niż lód, aby stopnieć. Żelazo ma wyższą temperaturę topnienia, bo jest cięższe od lodu. Lód topi się w niższej temperaturze, bo ma mniej cząsteczek. Oba ciała topią się w tej samej temperaturze, tylko żelazo potrzebuje więcej czasu.

Ciała krystaliczne i bezpostaciowe

Ciała krystaliczne mają cząsteczki ułożone w regularną, powtarzającą się sieć. Taki porządek widać czasem gołym okiem — na przykład w kryształkach soli lub cukru. Do tej grupy należą lód, metale, kwarc i diament. Czyste ciało krystaliczne topi się w jednej temperaturze, a podczas topnienia temperatura pozostaje stała.

Ciała bezpostaciowe nie mają takiego porządku. Ich cząsteczki są chaotycznie splątane, jak długie nici. Przykłady to szkło, wosk i plastelina. Takie ciała nie topią się w jednej temperaturze — najpierw miękną, potem stopniowo przechodzą w ciecz. Dlatego wosk można formować w cieple, a szkło dmuchać i kształtować.

Wosk jest dobrym przykładem, który może zaskoczyć: w temperaturze pokojowej jest twardy, ale w cieple mięknie i topi się w zakresie około 50–60 °C, zależnie od rodzaju. Nie ma jednej temperatury topnienia jak lód.

W przyrodzie kryształy tworzą płatki śniegu, sól kamienna i minerały. Szkło powstaje przez szybkie ochłodzenie stopionej substancji, która nie zdąży ułożyć się w regularną sieć.

Cecha	Ciała krystaliczne	Ciała bezpostaciowe
ułożenie cząsteczek	regularna, powtarzająca się sieć	chaotyczne splątanie
topnienie	w jednej temperaturze	w zakresie temperatur
przykłady	lód, sól, żelazo, kwarc	szkło, wosk, plastelina

Ciało krystaliczne ma regularną sieć i topi się w jednej temperaturze. Ciało bezpostaciowe ma cząsteczki splątane bez porządku i mięknie stopniowo w coraz wyższych temperaturach.

Zapamiętaj

Topnienie to przejście ciała stałego w ciecz, a krzepnięcie — cieczy w ciało stałe. Topnienie pochłania energię, krzepnięcie ją oddaje.
Czyste ciało krystaliczne topi się w stałej temperaturze: lód w 0 °C, żelazo w 1538 °C. Podczas topnienia temperatura nie rośnie.
Ciała bezpostaciowe, takie jak szkło, wosk i plastelina, miękną i topią się w zakresie temperatur. Sól obniża temperaturę topnienia lodu.

7. Która cecha najlepiej odróżnia ciało krystaliczne od bezpostaciowego?

Ciało krystaliczne jest zawsze twardsze i cięższe od bezpostaciowego. Ciało krystaliczne topi się zawsze w wyższej temperaturze. Ciało krystaliczne jest zawsze przezroczyste, a bezpostaciowe mętne. Cząsteczki ciała krystalicznego tworzą regularną sieć przestrzenną.

8. Dlaczego wosk topi się w zakresie temperatur, a nie w jednej temperaturze?

Bo wosk jest mieszaniną i dlatego topi się w jednej temperaturze. Bo wosk przewodzi ciepło gorzej niż lód i dlatego topi się wolniej. Bo jego cząsteczki nie tworzą regularnej sieci i rozluźniają się stopniowo. Bo wosk ma wyższą temperaturę topnienia niż wszystkie inne znane metale i szkło.

9. Szkło i plastelina są ciałami bezpostaciowymi. Co to oznacza?

Że ich cząsteczki są chaotycznie ułożone i nie tworzą sieci. Że ich cząsteczki są ułożone w regularną sieć, ale bardzo rzadką. Że nie mają cząsteczek i składają się z jednolitej substancji. Że topią się w jednej temperaturze, tak samo jak lód.