Fundacja Marka Kamińskiego
ZAPRASZAMY NA NIESAMOWITĄ PRZYGODĘ Z GÓRĄ LODOWĄ O IMIENIU
Na dalekiej północy, gdzie zimno i jasno, żyje młoda góra lodowa o imieniu "Lulie", niecierpliwie czekając na oderwanie od grenlandzkiego paku lodowego ...... tak zaczyna się niesamowita opowieść napisana ...

PIERWSZA WYSTAWA FOTOGRAFII Z WYPRAWY
Moi Drodzy! Od września do listopada planujemy zaprezentować światu po raz pierwszy fotografie z historycznej wyprawy RAZEM NA BIEGUN. Więcej informacji ...

NA BIEGUN Z FUNDACJĄ MARKA KAMIŃSKIEGO
Wszystkich, ale to naprawdę wszystkich, bez wyjątku zapraszamy do akcji edukacyjnej "Razem na biegun". Zrobimy wszystko co w naszej mocy, aby każdy z Was rozpoczął drogę ku własnym "biegunom".Chcemy z tym przesła...

Biegun zdobyty!
Wyprawa "Razem na biegun" zakończyła się sukcesem. 24 kwietnia o godzinie 16.16 jej uczestnicy, Marek Kamiński, Jaś Mela, Wojtek Moskal i Wojtek Ostrowski, szczęśliwie dotarli na Biegun Północny. Jeszcze w piątek rano Ma...


Jasiek i Marek mają jeszcze trzy dni na dotarcie do bieguna północnego. Na niedzielę zaplanowany jest lot helikopterem na dryfującą stację polarną Borneo. Uczestnikom wyprawy do celu pozostało jeszcze 19 km. Wczoraj...

Trzymamy kciuki
Trzymajcie mocno kciuki za naszych polarników. Do celu zostało im jeszcze 22 km. Zdobycie bieguna planują na 24 kwietnia. Nie są pewni czy uda im się dojść do tego czasu. Warunki są bardzo ciężkie. Na swojej drodze napo...

Spotkanie na lodzie
Z ostatniej relacji polarników wynika, że pogoda na biegunie pogarsza się. Jest słaba widoczność, chmurzy się i wieje silny wiatr. Temperatura waha się w okolicach – 25 stopni Celsjusza. Dziś w nocy naszych polarni...

19 kwietnia 2004
Nasi podróżnicy są już na półmetku. Codziennie pokonują od 5 do 10 km. Nam taki dystans nie wydaje się długi, ale Jasiek, Marek i Wojtkowie, podczas marszu muszą bardzo uważać. Na swojej drodze spotykają liczne utrudnien...

15 kwietnia, godz. 21:55 - Jasiek Mela
Wstaliśmy dziś przed godz. 10 rano. Najpierw mieliśmy łączenie z Polską, a potem mieliśmy czas dla siebie: zjedliśmy śniadanie, złożyliśmy namioty, pożegnaliśmy się ze znajomymi i wyruszyliśmy w drogę. Przeszliśmy prawie...

Wczoraj o godz. 21.45 Marek Kamiński podczas rozmowy przez telefon satelitarny powiedział nam...
O godzinie 16.30 dotarliśmy po krótkim locie samolotem na dryfującą stację Borneo, skąd jutro rozpoczniemy nasz marsz w kierunku Bieguna Północnego. Nasz punkt startowy znajduje się dokładnie na pozycji 89 stopień 22 mi...

      
Janek przygotowywał się do wyprawy pod opieką zespołu konsultantów...
Biegun to nie tylko zimno ale I także piekne widoki...

Ściągnij super plakat Szkoły pod biegunem!!

pobierz(1.42MB)


 
dostępne lekcje: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11     

Nadzór merytoryczny, metodyczny i językowy nad lekcjami pełni portal edukacyjny

Autor lekcji: Nikodem Kuźnik, Politechnika Śląska Wydział Chemiczny
Autor zdjęć: www.weather-photography.com  www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/photos/photos.htm





ŚWIAT LODU I WODY

W zimowe popołudnie wracając ze szkoły nieraz zdarzyło się, że widziałeś spadające płatki śniegu. Być może nawet przy ostrym wietrze śnieg wpadał Ci do oczu utrudniając widzenie. Może też kilka płatków śniegu spadło na Twoją kurtkę i przez chwilę, zanim zdążył zlać się z innymi podobnymi płatkami, mogłeś przyjrzeć im się bliżej. Raz były to olbrzymie, lekkie, puszyste jak pierze płatki, innym razem widziałeś malutkie kuleczki śniegowe. Ale może kiedyś udało Ci się zauważyć pojedyncze, piękne gwiazdki śniegu. Gdybyś miał szkło powiększające albo nawet mikroskop, mógłbyś lepiej zaspokoić swoją ciekawość i zobaczyć te gwiazdki w powiększeniu. Na poniższych zdjęciach możesz podziwiać śliczne płatki śniegu. To jest zaskakujące, ale ciągle wielu dorosłych, poważnych naukowców, tak jak i Ty fascynuje się pojedynczymi gwiazdkami śniegu. I dzisiaj, wielu fotografów spędza całe godziny w śnieżycy, aby uchwycić swoim aparatem te najbardziej wyjątkowe kształty śnieżnych kryształków. Mam nadzieję, że zdjęcia, które widzisz niżej, również Ciebie wprawią w taki sam zachwyt.


Wygląd i powstawanie płatków śniegu do dzisiaj nie są w pełni wyjaśnione. Śnieg przecież znali nasi pradziadkowie, śnieg padał, kiedy plemiona znad Wisły zakładały Państwo Polskie. Często nasz Bałtyk był skuty lodem i można było pieszo przejść do dzisiejszej Szwecji lub Danii, a my ciągle nie potrafimy do końca wyjaśnić, dlaczego każdy płatek śniegu jest inny. A najtrudniejsze jest to, że nikt nie potrafi przewidzieć, jak będzie wyglądał każdy następny spadający płatek śniegu! To jest fenomen przyrody.Na szczęście wiele o śniegu już wiemy: wiemy, czym jest śnieg, jak się tworzy i jakie ma właściwości. Wiemy, jak postępować, aby śnieg nie topniał lub przeciwnie celowo go topimy, kiedy na drogach przeszkadza kierowcom. Te zagadnienia omówimy w naszej lekcji.


Naszą śnieżną przygodę rozpocznijmy od przyjrzenia się zimowemu krajobrazowi:

  


Teraz spróbujmy skupić nasz wzrok na pojedynczych obiektach:

  

Widzisz, każda gałązka, każda wystająca trawa jest pokryta śniegiem lub też wygląda jakby została oblana wodą i zamieniona w sopel lodowy. To padający śnieg przykrywa wszystko. Jeśli wieje silny wiatr, to śnieg oraz wilgotne powietrze z kropelkami wody okrywa wszystko dookoła. Po mroźnej nocy możemy znaleźć ciekawe sople.

Teraz przyjrzyjmy się jeszcze bliżej śniegowi. Poniższa animacja pozwoli nam wniknąć w gwiazdkę śniegu i zobaczyć dokładniej, jak ona jest zbudowana.

Jeśli powiększymy kawałek śniegu, to zobaczymy, że składa się on z gwiazdek - kryształków lodu. Jak wiemy, śnieg, lód to woda, która zamarzła. Woda składa się z cząsteczek H2O - czyli takich, które zbudowane są z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Atomy wodoru połączone są do tego samego atomu tlenu. Jak widzimy, "idąc w głąb" gwiazdki śniegowej, kryształki te zbudowane są z cząsteczek wody (H2O).

Płatek śniegowy jest doskonałym przykładem, na którym możemy zobaczyć, jak wygląda budowa ciał stałych. Warto zwrócić uwagę, że cząsteczki wody są równo poukładane jedna obok drugiej, tak jak mozaika albo jak wzór na ściennej tapecie. Gdybyśmy byli w stanie znaleźć najmniejszy kawałek tego wzoru i gdybyśmy z tego najmniejszego, powtarzającego się fragmentu mogli zrobić jakiś szablon albo pieczątkę, to moglibyśmy poprzez kopiowanie go narysować cały wzór. Właśnie takie poukładanie cząsteczek, jedna obok drugiej, w określony sposób zawsze występuje w ciałach stałych o budowie krystalicznej. Ten najmniejszy, powtarzający się fragment, to tzw. komórka elementarna, czyli coś, co wystarczy skopiować wiele, wiele razy, aby uzyskać całą mozaikę. Natomiast mozaika, która jest tak doskonale uporządkowana, to sieć krystaliczna tworząca kryształy. Znasz może jeszcze inne kryształy? Na pewno na co dzień w domu, na podwórku czy w szkole możesz znaleźć wiele kryształów, na przykład kryształki soli lub trochę większe kryształki cukru czy też sodę oczyszczoną używaną do pieczenia.

  ciała stałe, których cząsteczki są poukładane w idealnym porządku; każda z cząsteczek zajmuje określoną pozycję w sieci krystalicznej; kryształy w stałej, określonej dla danej substancji temperaturze topią się, a więc substancja przechodzi ze stałego stanu skupienia, w stan ciekły. Przykładami ciał krystalicznych są: sól kuchenna, cukier, kwasek cytrynowy.


  najmniejszy fragment kryształu, którego powtórzenie (skopiowanie) wiele, wiele razy daje sieć krystaliczną.


  budowa wewnętrzna substancji krystalicznych; składa się z powtarzających się elementów, zwanych komórkami elementarnymi.

To wszystko są przykłady związków chemicznych, które mają budowę krystaliczną. A więc cząsteczki, które tworzą te kryształki są poukładane jak wzory tapety albo jak mozaika na chodniku czy dobrze zaparkowane samochody na placu parkingowym.

Czy zastanawiałeś się kiedyś, czy substancje, które są kryształami, mają jakieś wspólne cechy? A może zainteresowało Cię, czy jeśli wśród ciał stałych są takie, które są kryształami, to może istnieją też substancje, które nie są kryształami? Na to ostatnie pytanie możemy już teraz odpowiedzieć - ciała stałe możemy podzielić na związki o budowie krystalicznej oraz na substancje amorficzne, czyli takie, które nie mają uporządkowanej budowy. Takim przykładem substancji amorficznej jest szkło, wiele tworzyw sztucznych oraz przedmiotów z gumy. Jak odróżnić substancje krystaliczne od amorficznych? Niestety, nie ma prostego, dostępnego w każdej szkole sposobu odróżnienia tych dwóch rodzajów substancji. Spróbujemy uprościć trochę to zagadnienie przez podanie kilku wskazówek pomagających w dokonaniu takiego podziału.

  ciała stałe, których cząsteczki nie są poukładane według określonego porządku tak, jak w substancjach krystalicznych; substancje amorficzne często nie mają określonej temperatury topnienia, tylko w pewnym zakresie temperatur powoli miękną. Przykładami substancji amorficznych są: szkło oraz tworzywa sztuczne.

Wskazówka 1 - Budowa Ciała krystaliczne, jak sama nazwa wskazuje, muszą być zbudowane z małych kryształków, czyli z malutkich bryłek, często przezroczystych, ale o prostych ściankach, nie powinny to być kuleczki, tylko raczej małe sześciany. Najlepiej więc weź lupę do ręki i przyjrzyj się danej substancji w powiększeniu.

Wskazówka 2 - Rozpuszczalność Część kryształów dobrze rozpuszcza się w wodzie, a substancje amorficzne najczęściej w wodzie nie rozpuszczają się. Dlatego jako drugi test weź troszeczkę badanej substancji i wrzuć ją do szklanki z wodą. Jeśli dana substancja rozpuści się, czyli zniknie po zamieszaniu łyżeczką, to możesz z dużą pewnością powiedzieć, że jest to substancja krystaliczna. W tym teście pojawiło się ważne pojęcie: rozpuszczanie substancji stałej (proszku). Rozpuszczanie polega na tym, że w jakiejś cieczy (tę ciecz będziemy nazywać w chemii rozpuszczalnikiem) stała substancja "znika" i tworzy się jej roztwór. A więc roztwór to ciecz (rozpuszczalnik), w której znajduje się substancja rozpuszczona. Tak więc możemy powiedzieć, że substancja krystaliczna rozpuszcza się w wodzie w utworzeniem roztworu.

  proces fizyczny polegający na przejściu ciała stałego do roztworu. W roztworze, substancja, która rozpuściła się, to substancja rozpuszczona, a ciecz, w której nastąpiło rozpuszczenie, to rozpuszczalnik.

  ciecz, w której zawarta jest substancja rozpuszczona, a cały układ jest roztworem.

Wskazówka 3 - Topnienie Jedną z najważniejszych właściwości, która pozwala odróżnić ciała krystaliczne od amorficznych, jest ich różne zachowanie podczas ogrzewania. Niestety, właśnie ten test wymaga często ogrzania do wysokich temperatur, nawet 1000oC, więc przyjrzymy się tylko, co dzieje się z lodem (który jest substancją krystaliczną) podczas jego ogrzewania. Nikogo chyba nie zaskoczy, jeśli napiszę, że lód topi się w temperaturze 0oC. Często mówi się, że śniegi topnieją albo możemy usłyszeć w prognozie pogody, że nadchodzi odwilż lub roztopy. Cóż to jednak oznacza? Jak krystaliczne ciało stałe może stać się nagle cieczą? Czy teraz, kiedy już wiesz, jak zbudowane są kryształy, jesteś w stanie wyobrazić sobie, jak zmienia się ich budowa podczas topnienia? Znowu nie mamy możliwości, aby zaobserwować te zjawiska pod dobrym mikroskopem, ale poniższa animacja pokaże nam, co dzieje się z budową krystaliczną podczas topnienia lodu.



Początkowo mamy do czynienia z kryształkiem lodu. Teraz już dobrze rozpoznajesz cząsteczki wody specyficznie poukładane, według określonego wzoru. Wiesz, że to jest cecha charakterystyczna dla substancji krystalicznych. Co dzieje się z tym kryształkiem podczas jego ogrzewania? A dokładniej, co dzieje się z podstawowymi elementami mozaiki - cząsteczkami wody, kiedy temperatura kryształu rośnie? Widzisz, że cząsteczki zaczynają coraz bardziej drgać, mają coraz więcej energii, która jest im dostarczana przez ogrzewanie. Możesz też zauważyć, że początkowo tym cząsteczkom nadawały porządek wiązania między cząsteczkami wody (linie przerywane między cząsteczkami). Tego typu wiązania nazywać będziemy wiązaniami międzycząsteczkowymi, a ponieważ najczęściej to atom wodoru jednej cząsteczki jest związany z atomem tlenu innej cząsteczki, to w przypadku wody ten typ wiązania między cząsteczkami będziemy nazywać wiązaniami wodorowymi. (Więcej informacji na temat tych wiązań znajdziesz w Vademecum chemii w artykule "Wiązania wodorowe"). Zauważ, że w pewnym momencie wiązania wodorowe, które utrzymywały te cząsteczki w takim porządku, zaczynają pękać, a cząsteczki mogą się poruszać coraz bardziej swobodnie. Taka możliwość poruszania się cząsteczek jest charakterystyczna dla substancji ciekłych, czyli dla cieczy. W wodzie w stanie ciekłym nie zanikają wszystkie wiązania wodorowe, nawet w cieczy cząsteczki łączą się w pary lub nawet w większe skupiska, ale nigdy (w cieczy) nie są tak idealnie poukładane jak w kryształach. W cieczy cząsteczki dodatkowo poruszają się, chociaż często uderzają jedna o drugą, a więc ich ruch nie jest całkiem swobodny.

Kiedy pada mokry śnieg lub deszcz, a nocą przymrozek sprawi, że woda w kałużach zamieni się w lód, chemik czy fizyk powiedziałby, że nastąpiło krzepnięcie wody. Wiesz dobrze, że woda zamienia się w lód (czyli krzepnie) w temperaturze 0oC. Ta temperatura dla wody to temperatura krzepnięcia. Z drugiej strony, jeśli w wiosenny słoneczny dzień śnieg, a więc ciało stałe, powoli zamienia się w ciekłą wodę, czyli w ciecz, to będziemy takie zjawisko nazywać topnieniem, a temperaturę, w której się to odbywa (dla wody jest to również 0oC) będziemy nazywać temperaturą topnienia. Może zastanawiasz się, dlaczego temperaturę 0oC dla wody określamy dwoma nazwami - temperatura topnienia oraz temperatura krzepnięcia. Okazuje się, że dla wody akurat te dwie temperatury są przy tej samej wartości na termometrze, ale dla innych substancji, najczęściej takich, które nie są czyste (w pojęciu chemicznych zanieczyszczeń), te temperatury różnią się wartością, a więc w innej temperaturze taka "brudna" substancja topi się, a w innej krzepnie.

  fizyczny proces przejścia (przemiany fazowej) ze stanu ciekłego do stałego.


  ciała stałe, których cząsteczki są poukładane w idealnym porządku; każda z cząsteczek zajmuje określoną pozycję w sieci krystalicznej; kryształy w stałej, określonej dla danej substancji temperaturze topią się, a więc substancja przechodzi ze stałego stanu skupienia, w stan ciekły. Przykładami ciał krystalicznych są: sól kuchenna, cukier, kwasek cytrynowy.


  fizyczny proces przejścia (przemiany fazowej) ze stanu stałego do ciekłego.


  temperatura, w której zachodzi proces topnienia czyli przejścia ze stanu stałego do stanu ciekłego.

Teraz, skoro już wiemy, jak wygląda ciało krystaliczne, co się z nim dzieje podczas ogrzewania, spróbujemy wyjaśnić parę znanych i bardzo ciekawych właściwości wody. Wiesz, że kiedy spadnie dużo śniegu zimą, na ulice wyjeżdżają specjalne samochody, które odgarniają ten śnieg - to tak zwane pługi. Inne albo nawet te same samochody sypią piasek na ulice po to, aby koła pojazdów nie ślizgały się po mokrej nawierzchni, a jeszcze inne samochody sypią na ulice sól. Mówi się o soleniu jezdni albo czasami można znaleźć znak drogowy informujący, że jezdnia jest lub nie jest posypywana solą w okresie zimowym. Dlaczego sól miałaby coś zmienić? Co dzieje się, kiedy oblodzoną lub zaśnieżoną jezdnię posypie się solą? Wyobraź sobie, że do tej doskonałej mozaiki kryształu, którą możesz zobaczyć na animacji pierwszej, wprowadzimy jakąś dodatkową cząsteczkę. Wyobraź sobie, że do kryształku lodu wprowadzimy jony sodu Na+ oraz jony chlorkowe Cl-, czyli takie, z których zbudowana jest sól.

Czy po wprowadzeniu jonów soli do kryształku lodu mozaika dalej jest tak samo uporządkowana? Widzisz, że teraz nie wszystko pasuje już tak jak wcześniej. Ta układanka już nie jest taka trwała, łatwiej ją porozrywać na kawałki... na pojedyncze cząsteczki, a więc łatwiej stopić kryształ, wymaga to mniej energii. Dlatego też takie kryształy, do których doda się inną substancję, mają temperaturę topnienia niższą niż te same czyste substancje. To właśnie dlatego, nawet jeśli jest ujemna temperatura (może być -5oC lub nawet -10oC), po posypaniu solą lód stopnieje! Właśnie dlatego wokół Antarktydy i Arktyki część wody jest nie zamarznięta. Woda morska zawiera sól i dopiero bardzo niskie temperatury mogłyby całą tę wodę zamrozić. Dlatego przy niskich temperaturach woda morska jest pokryta tylko stosunkowo cienką warstwą lodu, a nie zamarza w całości aż do dna. Pływające góry lodowe oraz zamarznięta powierzchnia wód (a nie zamarznięte dno!) są związane z jeszcze inną bardzo ważną własnością wody - lód ma mniejszą gęstość od wody. Co to jest gęstość? Gęstość to objętość, jaką zajmuje jednostka masy danej substancji, a więc objętość, jaką zajmuje 1 gram lub 1 kilogram lodu. Jaką gęstość ma ciekła woda? W przybliżeniu 1 kg/dm3. Co to oznacza? Woda jako ciecz o objętości 1 dm3 (to jest 1 litr) waży 1 kg. Czyli jeśli weźmiesz do ręki butelkę z wodą o objętości 1 litra, to woda w niej zawarta będzie ważyła 1 kg, czyli 1000 gramów. Jak myślisz, czy ta sama objętość lodu waży więcej, czy mniej? W tablicach chemicznych możemy znaleźć informację, iż lód ma gęstość ok. 0,916 kg/dm3. Jak należy to rozumieć? Ta wartość mówi nam, że 1 dm3 (czyli 1 litr) lodu waży... 915 gramów, czyli mniej niż 1 kilogram, a więc ta sama objętość lodu waży mniej niż taka sama objętość wody. A ponieważ to, co "lżejsze" pływa na wierzchu, dlatego też lód pływa po powierzchni wody. Ponieważ stosujemy tutaj pewne przybliżenia oraz nie bierzemy pod uwagę tego, iż sam lód też waży i jak statek jest też częściowo zanurzony w wodzie, wystarczy, że zapamiętamy, że bryła lodu pływająca w wodzie jest wynurzona tylko w 1/9 części, a osiem razy więcej tej bryły (czyli 8/9) jest schowana pod powierzchnią wody. Dlatego też jeśli mówimy o czymś, co jest tylko małym fragmentem, małą częścią czegoś bardzo dużego, to wtrącamy: "O, to zaledwie wierzchołek góry lodowej!" Rozumiemy to w ten sposób, że to, co widzimy, to tylko jedna dziewiąta (1/9), czyli mała część - a dużo większej części nie widać!


  stosunek masy do objętości danej substancji w danej temperaturze; inaczej mówiąc, to masa jednostkowej objętości danej substancji; gęstość zmienia się wraz ze zmianą temperatury.


Na zakończenie naszych rozważań o wodzie w stanie ciekłym czy w stanie stałym - takiej, którą możemy znaleźć w Arktyce, na Antarktydzie lub w zimowym krajobrazie, opowiem jeszcze o jej jednej zaskakującej właściwości. Pewnie nieraz widziałeś, że mokre pranie w słoneczny, ciepły letni dzień jest wieszane na zewnątrz i już nawet po godzinie, a na pewno wieczorem pranie jest suche - nie czujemy wilgoci w suszonych materiałach. Jakie to zjawisko? To parowanie - czyli przemiana cieczy w gaz - w parę wodną. Para wodna to woda w stanie gazowym, czyli takim, jakie jest powietrze. Zjawisko odwrotne do parowania to skraplanie. Czy obserwujemy skraplanie w przyrodzie? Tak, bardzo często - rosa, mgła to para wodna zawarta w powietrzu, która skropliła się do małych kropelek - do mgły. Na pewno obserwując wyprawy arktyczne, na przykład naszego słynnego polarnika Marka Kamińskiego, widziałeś, że z każdym ich oddechem para w postaci małej mgiełki wydobywała się z ust. To również para wodna, która skropliła się do mgły, do małych kropelek cieczy. A teraz ciekawe pytanie: jak myślisz, czy pranie może wyschnąć, jeśli zostanie powieszone na zewnątrz, nawet jeśli temperatura jest ujemna, czyli jeśli jest mróz? Myślisz pewnie, że woda zawarta w mokrych tkaninach zamarznie i na tym się skończy. Ale będziesz bardzo zaskoczony, jeśli zobaczysz, że i w tym przypadku pranie również może wyschnąć! Jak to się dzieje? Mówiliśmy już o różnych przemianach - ciała stałego w ciecz, czyli o topnieniu, cieczy w gaz, czyli o parowaniu. W przypadku suszenia prania na mrozie będziemy mówić o sublimacji. To zjawisko to przejście ciała stałego w gaz bez przechodzenia przez stan cieczy. Lód może sublimować, a więc przemieniać się bezpośrednio w parę wodną, mimo że odbywa się to bardzo powoli. Znacznie łatwiej, a przede wszystkim szybciej, wysuszyć pranie w ciepłym i suchym pomieszczeniu.

  fizyczny proces przejścia (przemiany fazowej) ze stanu ciekłego do gazowego; parowanie zachodzi w całym zakresie temperatur pomiędzy temperaturą krzepnięcia, a temperaturą wrzenia; parowanie zachodzi tylko na powierzchni cieczy.


  woda w stanie gazowym


  fizyczny proces przejścia (przemiany fazowej) ze stanu gazowego do ciekłego; inaczej skraplanie nazywa się kondensacją


  fizyczny proces przejścia (przemiany fazowej) ze stanu stałego do gazowego z pominięciem stanu ciekłego.




Zapraszamy także do rozwiązania zagadek związanych z tą lekcją





©2004 Marek Kamiński Foundation