Hielo instantáneo

Tiempo aproximado para completar: 1-2 horas + preguntas y tiempo de diario

Este experimento puede ser una forma emocionante de profundizar en el concepto de cambios de fase que aprendió en Diferentes propiedades a diferentes temperaturas. ¡También agregamos nuevas tarjetas de nomenclatura en los cambios de fase! Puedes acceder a ellos en nuestro Aula Virtual.

Materiales

  • 4 o más botellas de agua de plástico de 8 oz (30 ml). Deben ser agua purificada (SIN MINERALES AÑADIDOS)
  • Agua del grifo
  • Cubitos de hielo (5-10 libras)
  • Sal de mesa (1-3 tazas)
  • Tazón de metal
  • Plato / tazón
  • Termómetro
  • Temporizador

Investigación e hipótesis

  1. ¿Cuáles son algunas de las diferencias entre partículas líquidas y partículas sólidas?
  2. ¿Qué se necesita para convertir el agua de líquido en sólido?
  3. ¿A qué temperatura se congela el agua?
  4. ¿Cuánto tiempo tarda el agua en congelarse?

Directions

Antes de comenzar, póngase los "pantalones de paciencia". Este experimento puede ser muy particular y puede requerir un par de intentos. Sin embargo, confíe en nosotros, cuando finalmente lo obtenga, ¡la emoción lo vale!

Parte 1: La configuración

Hielo, agua y sal
16 °F - 19 °F
  1. Vacíe una de sus botellas de agua, llénala con agua del grifo y cierre la tapa. ¡Etiquetalo para que no olvide cuál es!
  2. Llena tu tazón de metal hasta la mitad con hielo. 
  3. Coloque la botella con agua del grifo y 4 o más botellas de agua purificada encima del hielo. * Mientras más botellas de agua purificada sobreenfríe, más intentos obtendrá en las partes 2 y 3 (abajo).
  4. Agregue más hielo al recipiente para cubrir las botellas de agua.
  5. Vierta agua sobre el hielo hasta que llene el recipiente aproximadamente ¼ de su capacidad.
  6. Vierta una capa de sal sobre los cubitos de hielo.
  7. Inserte su termómetro en el recipiente y espere hasta que el termómetro marque entre 16 ° F y 19 ° F (-9 ° C y -7 ° C).
  8. Configure su temporizador en 45 minutos. Agregue hielo y sal para mantener la temperatura entre 16 ° F y 19 ° F (-9 ° C y -7 ° C).
  9. Después de 45 minutos, la botella de agua del grifo debe estar parcialmente congelada. Una vez que el agua del grifo está parcialmente congelada, las botellas de agua purificada deben sobreenfriarse (se han enfriado por debajo de su punto de congelación, pero aún están líquidas). Si el agua del grifo no está parcialmente congelada, programe un temporizador para 5 minutos más y repita hasta que lo esté. Tenga en cuenta que si usa botellas de agua de más de 8 oz, tendrá que dejarlas por más tiempo. Usar botellas más grandes podría ser un experimento de extensión divertido de configurar.

Parte 2: Hielo instantáneo en una botella

Cristales de hielo en una botella
  1. Saque CON CUIDADO una de las botellas de agua purificada del recipiente y golpéela contra la encimera varias veces.
    • Deben empezar a formarse cristales de hielo en la botella. Si no es así, vuelva a colocar la botella en el baño de hielo y programe el temporizador durante 5 minutos más. Repite este paso con incrementos de 5 minutos hasta que tu botella de agua purificada forme cristales de hielo cuando la golpees sobre la encimera. ¡Es útil tener muchas botellas para probar!
    • Si todas las botellas de agua purificada ya están congeladas, han estado en el baño de hielo durante demasiado tiempo y tendrá que volver a intentarlo. Puede usar diferentes botellas o esperar hasta que sus botellas congeladas vuelvan a estar a temperatura ambiente.
  2. Intente golpear una botella de agua fría del grifo en la encimera, o agua fría del refrigerador, ¿se forman cristales de hielo?

Parte 3: Torre de hielo instantánea

Torre de hielo
  1. Necesitará una de las botellas de agua purificada sobreenfriadas de la parte 1 que aún es líquida.
  2. Pon un cubito de hielo en un plato o en un tazón.
  3. Abra CUIDADOSAMENTE la tapa de su botella de agua sobreenfriada.
  4. Vierta el agua sobreenfriada en el cubito de hielo. El agua debe convertirse en hielo en el momento en que toque el cubo.
  5. Intente hacer esto con agua fría del fregadero o agua del refrigerador, ¿se convierte inmediatamente en hielo cuando toca un cubo de hielo?

Conclusión e investigación adicional

Usa estas preguntas como guía para escribir una entrada en el diario, hacer un póster, hacer una presentación o escribir un informe de investigación sobre tu experimento o un tema relacionado.

  1. ¿Cuánto tiempo tardó en sobreenfriar su botella de agua hasta el punto en que pudo formar hielo?
  2. ¿Qué significa "sobreenfriar"?
  3. Regrese a las preguntas desde el principio: ¿cambiaría alguna de sus respuestas?
  4. ¿Qué toma más tiempo: que el agua se convierte en hielo o que el hielo se convierte en agua?
  5. Pruebe otros líquidos para ver si tienen la capacidad de sobreenfriar como el agua. 
    • ¿Qué propiedades crees que debe tener un líquido para poder sobreenfriar?

Cómo funciona

¿Cómo se forma el hielo?

Imagina que estás construyendo una casa de cartas. Una por una, apila cada carta en un patrón perfecto para construir una estructura gigante. Se necesita MUCHO tiempo y energía.

Entonces, tu amigo se acerca y lo derriba. Eso no requirió mucha energía.

Las cartas son como moléculas de H2O (agua). Hacer una casa de cartas con las cartas es como congelar moléculas de agua en hielo. Derribar una casa de cartas es como derretir hielo. 

Las partículas de agua son líquidas. Se aferran lo suficientemente cerca como para tocarse, pero son libres de moverse. Las partículas de hielo, por otro lado, son muy rígidas. Se mantienen cerca unos de otros en un patrón organizado (como la casa de cartas).

Para pasar del hielo al agua, solo necesitas un poco de energía térmica. Puede romper la estructura organizada del hielo elevando la temperatura por encima de 32 ° F (0 ° C). Si coloca un trozo de hielo en la encimera, inmediatamente comenzará a derretirse.

Para pasar del agua al hielo, se necesita más energía. Se necesita más energía para organizar las partículas que para romperlas, al igual que se necesita más energía para que usted haga su casa de cartas y menos energía para que su amigo la derribe. 

Si baja la temperatura del agua por debajo de 32 ° F (0 ° C), el agua se enfriará y enfriará hasta que FINALMENTE tenga suficiente energía para comenzar a organizarse en cristales de hielo. Luego, el resto del agua se convertirá en hielo muy rápidamente. Justo antes de que se formen cristales de hielo, decimos que el agua está "sobreenfriada". El agua está más fría que su punto de congelación, pero aún es líquida.

Podrías hacer esto en el congelador, pero usar el método del baño de hielo salado ayuda a que suceda más rápidamente… ¿Puedes pensar por qué podría ser?

Aquí hay una pista, tiene que ver con la depresión del punto de congelación.

¿Qué sucede cuando la botella de agua fría se convierte instantáneamente en hielo?

En la parte 2 de este experimento (Hielo instantáneo en la botella), intentas atrapar el agua justo antes de que se organicen las primeras moléculas. Luego, puedes darles un poco de energía extra golpeando la botella sobre la encimera. Esa energía adicional ayuda a que las moléculas se muevan y se coloquen en una posición perfecta para comenzar a organizarse en hielo. 

¿Cómo funciona la torre de hielo instantánea?

En la parte 3 de este experimento (Torre de hielo instantánea), usas un cubo de hielo como cristal semilla para iniciar el proceso de congelación. Cuando el agua sobreenfriada golpea el hielo, las moléculas de agua se alinean inmediatamente con las moléculas de agua congeladas organizadas del cubo de hielo.

Parece que has hecho "hielo instantáneo". Sin embargo, esperaste hasta justo antes de que el hielo se formara por sí solo y le diste un poco más de “oomph”.

¿Por qué el agua del grifo se congela en el baño de hielo antes que el agua purificada?

La razón por la que el agua del grifo se congela tiene que ver con los minerales que contiene. Los minerales en el agua del grifo le dan a las moléculas de agua algo a lo que adherirse y comenzar a formar cristales de hielo. Algo parecido a cómo usaste un cubito de hielo como cristal semilla en la parte 3 de este experimento. No se necesita tanto tiempo o energía como el agua purificada para formar cristales de hielo, porque los minerales le dan al agua del grifo una ventaja.