Научно-исследовательская работа на тему "Охлаждающие смеси"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 11»

Научное общество учащихся

Исследовательская работа

«Охлаждающие смеси»

Работу выполнила:

Ученица 9 «в» класса

МБОУ «СОШ № 11»

Баранова Яна

Научный руководитель:

Овчинникова Ольга Михайловна

г. Балахна

 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………….  3  Глава I. Обзор литературы по теме…………………… ……………….          5                                                 1.1.Что такое охлаждающие смеси…………………………………… ..….    5

1.2.История открытия охлаждающих смесей………………………….…..…5

1.3.Классификация криосмесей….……………………………………...….     6

1.4.Теоретическое обоснование гипотермального эффекта охлаждающих смесей…..…………………………………………………………………….… 8

1.5. Применение криосмесей в промышленности и быту….…………….… .9

Глава II. Экспериментальная часть…… ………………………………….… 12

2.1. Оборудование….…………………………………………………….…… 12

2.2. Определение качественного состава содержимого гипотермального  пакета «АППОЛО» и его эффективность……………………………………12

2.3.Выявление эффективности различных составов                                 охлаждающих смесей………………………………………………………….13

2.4. Зависимость охлаждающего эффекта от агрегатного состояния растворителя ………….…………………………………………………….….14

2.5. Зависимость охлаждающего эффекта от концентрации растворяемого вещества………….………………………………………………………….….14

2.6. «Парадокс» концентрированной серной кислоты….………….……….. 15

3. Заключение…..…………….…………………………………………………16

4. Список использованной литературы ……………………………………… 17

5. Приложения…………………………………………………………………..18

Введение.

Актуальность работы.

   В повседневной жизни, мы часто сталкиваемся с явлениями, которые вызывает у нас много вопросов.

    Почему при растворении некоторых азотных  удобрений, используемых для подкормки растений, полученные растворы охлаждаются?

    Почему стоять на солевой каше (смесь снега и соли) холоднее, чем просто на снегу? 

   Почему происходит охлаждение при использовании гипотермического пакета из автомобильной аптечки?

   Почему концентрированная серная кислота при смешивании со снегом даёт сильный охлаждающий эффект, а при растворении  в воде – сильное разогревание?

   Желание найти ответы на эти вопросы, стало основой для нашего исследования. Я решила изучить механизм тепловых процессов и   выявить наиболее доступные, эффективные составы охлаждающих смесей.

Цель работы:

Изучить и проанализировать информацию об охлаждающих смесях и экспериментальным путём выявить наиболее простые и эффективные составы хладосмесей.

Задачи работы:

1)    Провести сбор и анализ литературы по охлаждающим смесям.

2)    Опытным путём определить состав водно-солевого гипотермального пакета «АППОЛО».

3)    Экспериментальным путём выявить наиболее эффективные составы хладосмесей из веществ, применяемых в быту.

4)    Выработать рекомендации по методике приготовления охлаждающих смесей.

Объект исследования.  Соли, используемые в качестве азотных удобрений.

Предмет исследования.   Эффективность составов охлаждающих смесей, зависимость гипотермического эффекта от содержания в смесях солей и агрегатного состояния растворителя.

Гипотеза:

1.     Существуют эффективные и простые охлаждающие составы, приготовленные на основе азотных удобрений и поваренной соли.

2.     Охлаждающий эффект зависит от агрегатного состояния растворителя и концентрации растворяемого вещества.

Методы исследования:  

-метод актуализации - состоит в определении ценности конкретного    исследования;

-поисковый

- метод практического исследования;

- метод анализа  и обобщения

                               ГЛАВА 1. Обзор литературы по теме

1.1 Что такое охлаждающие смеси (криосмеси).

   Криосмесь – это неологизм (греч. kryos — лёд). Поэтому в научной литературе это слово встречается довольно редко. Чаще это слово заменяют словосочетанием «охлаждающая смесь». Это системы из двух или нескольких твёрдых или твёрдых и жидких веществ, при смешении которых происходит понижение температуры смеси вследствие поглощения тепла при плавлении или растворении составляющих системы.

В качестве компонентов охлаждающих смесей для понижения температур до —50° С применяют различные соли, кислоты, воду, лёд (снег). Для понижения температур до —80° С используются охлаждающие смеси из сухого  льда (твёрдой углекислоты) и некоторых органических веществ (спиртов, ацетона, эфира). Также в промышленности широко используются охлаждающие жидкости. Самой распространённой охлаждающей жидкостью  является вода. Наибольшее распространение получили охлаждающие жидкости на основе многоатомного спирта – этиленгликоля.

Чтобы получить наиболее низкую температуру, входящие в охлаждающие смеси вещества берут в количествах, отвечающих криогидратной точке. Криогидратная точка -  температура, при которой раствор определенного вещества замерзает, иными словами это наиболее низкая температура которую вы сможете получить, смешав компоненты определенной массы.

Охлаждающих  смесей очень много, так как вообще всякая химическая реакция (в том числе и растворение), совершающаяся с поглощением тепла, может служить для охлаждения. Применение той или другой охлаждающей смеси зависит от того, что имеется под руками, и от желаемого понижения температуры. 

1.2. История открытия и создания охлаждающих смесей (криосмесей).

Растворение как средство для получения искусственного холода применялось издавна; так, например, римляне для охлаждения вина пользовались растворением калиевой селитры в воде. Этот же способ охлаждения вновь был применен физиком Blasius Villafranca в Риме в 1550 г. О более сильном охлаждении упоминает Latinus Tancredus в Неаполе в 1607 г.; он брал смесь снега с селитрой; наконец, о смеси толченого льда и поваренной соли упоминается Санторио в 1626 г. Эта же смесь применялась для замораживания жидкостей, а также покойников народом, называемым эстонским. Охлаждающие эффекты применяли в средние века для изготовления мороженного. Бочку со снегом и солью использовали как морозильник.

Уже в начале 17 века были выведены первые формулы охлаждающих смесей.

1665г. знаменуется как год, когда Роберт Бойль опубликовал труд, содержащий теоретические основы получения холода. А уже в 1686 году Мариотт экспериментально подтвердил теории Бойля. 

1685г. - Филипп Лахир получил водяной лед в пиале, залитой снаружи аммиаком. 
В 1810г. Лесли построил первую, известную истории, установку для получения искусственного льда.

Вскоре (1834г.)  Пельтье открыл принцип, положивший начало разработке термоэлектрических холодильных машин.

 В 1844г. Чарльз Смит Пиаззи наконец изобрёл холодильную камеру.

1870г. - Питер Вандер Вейд получил патент США за систему охлаждения с термостатом. 

В 1879г.  Карл фон Линде получил патент на первый в мире механический холодильник.

В наше время охлаждающие смеси применяются в домашнем быту, в лабораториях и вообще там, где не требуется очень сильное и продолжительное охлаждение. Для последнего и для заводских целей наука и экономический расчет создали более могущественные средства искусственного охлаждения.

Основными изобретателями в «криосмесях» принято считать:

Роберт Бойль

     Ÿ закон связи давления, объема и температуры

     Ÿ теоретические основы получения холода 

Уильям Куллен

         Ÿ получение льда при использовании вакуума

         Ÿ создание парокомпрессионной машины

 Михаил Васильевич Ломоносов

         Ÿ создание теории естественной вентиляции

Нерн

         Ÿ в условиях вакуума вода замерзает, если удалить водяные пары (пары       поглощались серной кислотой)

1.3. Классификация охлаждающих смесей.

1.Охлаждающие смеси из воды (или снега) и соли

2.Охлаждающие смеси из воды и двух солей

3.Охлаждающие смеси из кислот и снега

4.Охлаждающие смеси из солей с кислотами

5.Охлаждающие смеси некоторых органических веществ с твердой углекислотой

6.Антифризные растворы

1)    Охлаждающие смеси из воды (или снега) и соли

Соль	г/100 г воды	г/100г снега
CaCl2	126,9	42,2
CH3COONa	51,1
FeCl3		49,7
KCl	30	30
KNO3		13
K2SO4		6,5
MgCl2		27,5
MgSO4	41,5	23,4
NaCl	36	30,4
Na2CO3	14,8	6,3
NaNO3	75	59
Na2S2O3	70	42,8
NH4Cl	30	25
NH4	60	45
(NH4)2SO4	75	62

2)    Охлаждающие смеси из воды и двух солей

Смесь солей на 100г воды

29 г NH4Cl + 18 KNO3

38 г KNO3 + 13 NH4Cl

52 г NH4Cl + 40 NaCl

13 г NH4Cl + 37,5 NaNO3

2 г KNO3 + 112 KSCN

41,6 г NH4NO3 + 41,6 NaCl

3)    Охлаждающие смеси из кислот и снега

Кислота		Количество снега, масс. ч
Формула	Количество, масс.ч.
HCl (конц)	50	100
HNO3 (разб)	100	100
H2SO4 (разб)	25	100

4)    Охлаждающие смеси из солей с кислотами

Кислота		Соль
формула	Количество, масс. ч	формула	Количество, масс. ч
HCl (2:1)	4	Na2SO4	6
		NH4Cl	4
		KNO3	2
HCl (конц)	5	Na2SO4	8
HNO3 (2:1)	2	Na2SO4	3
HNO3 (2:1)	4	Na3PO4	6
HNO3 (2:1)	5	Na2SO4	6
		NH4NO3	5
H2SO4 (1:1)	4	Na2SO4	5

5)    Охлаждающие смеси с твердой углекислотой

Вещество+сухой лед

(C2H5)2O

CH3Cl

PCl3

C2H5OH

C2H5Cl

CHCl3

1.4. Теоретическое обоснование гипотермального эффекта охлаждающих смесей.

   В свойствах смесей есть интересная закономерность: температура плавления смеси нескольких веществ ниже, чем температура плавления каждого из чистых веществ по отдельности. Температура плавления чистой воды (в виде льда или снега) 0⁰С. Если внести в лед примесь поваренной соли, то лед начинает плавиться при более низких минусовых температурах. Температура плавления зависит от соотношения льда и соли, скорости перемешивания и даже степени измельчения льда. Лед, как и всякое тело, твердое или жидкое, представляет собой систему молекул, обладающих колебательными движениями (тепловыми) и в то же время взаимно притягивающихся; пока эта система остается в одном из состояний подвижного равновесия, физическое (и химическое) состояние тела остается неизменным. При соприкосновении частиц льда и соли происходит  химическое взаимодействие, взаимное притяжение между частицами льда ослабевает, лед плавится; при этом теплота поглощается. В то же время  взаимодействие соли с водой (гидратация) сопровождается выделением тепла. Окончательный результат определяется разностью количеств теплоты, поглощенной при  плавлении льда, и теплоты соединения соли с водой. Так как первая превосходит в данном случае вторую, то получается охлаждение смеси. Сосуд, в котором производится смешивание, конечно, должен быть хорошо изолирован непроводниками теплоты, чтобы полнее утилизировать искусственный холод, и само смешивание производится как можно быстрее; для этого все твердые вещества, как то: лед, соли, должны быть хорошо измельчены. Приведенное  объяснение явления охлаждения применимо и к растворению солей в воде, с той лишь разницей, что при растворении многих солей не столь ясно выражено химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом. При смешении нескольких солей с водой или снегом могут происходить уже более сложные явления, двойные разложений солей и пр.

В общем, тепловой эффект растворения складывается из тепловых эффектов двух стадий:

1.     разрушение кристаллической решетки, которое протекает с затратой энергии

2.     образование гидратов, которое сопровождается выделением энергии

3.     Знак теплового эффекта растворения будет определяться соотношением энергий этих стадий.

1.5. Применение криосмесей в промышленности и быту.

В наше время охлаждающие  смеси применяются в домашнем быту, в лабораториях и вообще там, где не требуется очень сильное и продолжительное охлаждение. Для последнего и для промышленных целей наука и экономический расчет создали более могущественные средства искусственного охлаждения. Основными областями применения криосмесей в быту, в медицине и в лаборатории можно определить:

1) быстрое охлаждение напитков или продуктов;

2) сохранение продуктов на короткое время при отсутствии холодильника в тёплое время года;

3) в лаборатории - перегонка легкокипящих жидкостей или газов;

4) разделение 2-х несмешивающихся жидкостей, одна из которых имеет низкую температуру замерзания (бензол-вода).

Жидкие смеси (жидкости)

 

Ÿ Зимой применяются антифризы, не замерзающие при температурах до        —40°С.

Ÿ Низкозамерзающие охлаждающие жидкости предназначены для применения в системах охлаждения двигателей.

 

Смазочно-охлаждающие жидкости.

Обработка металла

Ÿ Фрезерование (отвод тепла от режущих инструментов)

Ÿ Нарезание резьбы на деталях

Ÿ Прокатка листового металла       

 

Твёрдые смеси

 

Ÿ   Для охлаждения и замораживания пищевых продуктов, а также их хранения и транспортировки в замороженном состоянии широко используют  сублимацию сухого льда (твердой двуокиси углерода).

Ÿ  Вымораживание паров ртути (метанол+твёрдая углекислота)

Ÿ    Ледники, в которых обеспечивается околонулевая температура, применяются в сельском хозяйстве и отчасти в торговле и молочной промышленности, главным образом для хранения скоропортящихся продуктов.

 

В медицине

 

Локальная гипотермия  – лечебное воздействие на ограниченные участки тела холодовых факторов, которые снижают температуру тканей не ниже пределов их криоустойчивости (5-10°С).

Применяемые в настоящее время охлаждающие средства содержат неорганическую соль и воду, разделенные перегородкой. При разрыве перегородки соль растворяется в воде с эндотермическим эффектом. В промышленности выпускают такие пакеты под маркой Снежок, Апполо, Мирали др. Известны терапевтические пакеты для охлаждения тканей организма двух основных типов. Первые основаны на использовании эндотермической реакции, происходящей при растворении некоторых солей в воде. Такие пакеты удобны для применения в полевых условиях, поскольку не требуют привлечения холода извне. Но при малой теплоемкости пакеты одномоментного действия не эффективны в условиях жаркого климата и не могут обеспечить оптимальный уровень гипотермии при различных медицинских показаниях.

Действие пакетов второго типа основано на предварительной аккумуляции холода содержимым пакета (например, гелем) в холодильной камере. Такие пакеты имеют большую теплоемкость, но не могут обеспечить моментальный лечебный эффект без предварительного их охлаждения в течение нескольких часов в морозильной камере. Однако, главным недостатком таких устройств является кратковременность действия – следствие скоротечности эндотермической реакции между водой и солью.

Для пролонгирования реакции используются следующие средства:

а) последовательное растворение порций соли;

б) регулирование в процессе реакции поверхности контакта воды и соли;

в) применение солей в гранулированном виде с растворимыми или пористыми оболочками гранул.

Глава II. Экспериментальная часть

2.1 . Оборудование.

Мерные цилиндры, стеклянные стаканчики на 100-150 мл, стеклянные палочки, технические весы (200г, Δm=0,01 г), термометр наружный, ступка с пестиком, приспособления для нагревания.

Реактивы: набор солей NaCl, NaNO_3, KNO_{3 ,} NH₄Cl, CO(NH₂)_2, NH₄NO_3, концентрированная серная кислота, гипотермический пакет «Апполо», медные стружки, фенолфталеин, гидроксид натрия,  дифениламин.

2.2. Определение качественного состава содержимого гипотермального пакета «АППОЛО» и его эффективность.

Приложение 1

На охлаждающем пакете «АППОЛО» не указан химический состав, поэтому  был проведён качественный анализ содержимого пакета.

Определяли катионы соли:

1. Определение ионы по цвету пламени и качественным реакциям: вносили в пламя стеклянные палочки с раствором исследуемой соли. Пламя свою окраску не изменило, значит, в составе соли отсутствуют ионы придающие пламени окраску: Na⁺, K⁺, Cu²⁺, Ba²⁺, Ca²⁺, и т.д. При взаимодействии раствора соли со щёлочью при нагревании влажная фенолфталеиновая бумажка приобрела ярко-малиновую окраску, что свидетельствует о наличии иона аммония.

NH₄⁺ + OH^- = NH₃ + H₂O

2.Определение анионов SO₄^2- , NO₃^- , PO₄^3-, Cl^-, Br ^-, и т.д. по качественным реакциям. Видимых признаков реакции с сульфат- и фосфат- ионами не наблюдали. При добавлении к раствору соли стружек меди и концентрированной серной кислоты выделялся газ бурого цвета с характерным запахом и образовывался раствор голубого цвета, что свидетельствует о наличии нитрат иона. При добавлении к раствору соли дифениламина появилось тёмно-синее окрашивание.

Исследуемая соль – нитрат аммония.

4NO₃^- + 2H₂SO₄ + Cu = Cu²⁺ + 2NO₂ + 2H₂O + SO₄^2-

Итоговые уравнения

1)    NH₄ NO₃ + Na OH = Na NO₃ + NH₃ + H₂O

2) 4NH₄NO₃ + 2H₂SO₄ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O + 2(NH₄)₂SO₄

В гипотермальном пакете «АППОЛО» в первом контейнере находилось 64,15г нитрата аммония, во-втором контейнере – 60 мл воды.

При смешивании этих компонентов охлаждающий эффект соответствует понижению температуры на 22 градуса ˚С.

2.3.          Выявление эффективности различных составов охлаждающих смесей.

Охлаждение: соль + вода ( приложение №2).

На технических весах определили массу стаканчика, необходимую массу вещества добавляли в стаканчик с учётом его массы. Раствор серной кислоты с массовой долей 50, 54% (электролитная кислота) отмеряли мерным цилиндром, предварительно сделав перерасчёт. Масса H₂SO₄ = 12,6г, плотность = 1,25 г/мл, объём раствора H₂SO₄ = 20 мл.

V=m/W*p.

 А г вещества смешали со 100 г воды при 18°С.

Таблица №1

Вещества	А, г	∆ Т, °С
NaCl	36	-4
NaNO3	75	-15
NH4Cl	30	-15
CO(NH2)2 (мочевина)	50	-18
NH4NO3	107	-22
NH4NO3	13	-8

Охлаждение: вода + соль + соль (приложение №3).

К навескам соли приливали 100 мл воды.

Таблица №2

Смесь веществ	∆ Т, °С
30г NH4Cl + 13г KNO3	-15
36г NaCl + 30г NH4Cl	-11
50г CO(NH2)2 + 36NaCl	-15
41,6 г NH4NO3 + 41,6 NaCl	-20

Вывод: наибольший гипотермический эффект даёт аммиачная селитра при растворении в воде. При смешивании нескольких солей гипотермический эффект усиливается. Смеси солей дают больший охлаждающий эффект, но определённую роль играет природа соли.

2.4.Зависимость охлаждающего эффекта от агрегатного состояния растворителя.

Охлаждение: соль + снег (см. приложение №4).

  А г соли смешали со 100 г снега.

Таблица №3

	А, г	∆ Т, °С
NaCl	36	-18
NaNO3	75	-14
NH4Cl	30	-12
CO(NH2)2 (мочевина)	50	-18

Вывод: наибольший гипотеремический эффект проявили мочевина и хлорид натрия. Использование льда или снега даёт усиление охлаждающего эффекта.

2.5.  Зависимость охлаждающего эффекта от концентрации растворяемого вещества.

Готовили смесь снега и мелкоизмельчённой поваренной соли определённой концентрации. Измеряли температуру полученной смеси. Данные оформили в виде таблицы.

Зависимость температуры смеси снег-соль от ее состава

Таблица №4

Масса NaCl, г	Масса снега, г	Содержание поваренной соли, %	Температура смеси, °С
9	81	10	-17
18	72	20	-18
27	63	30	-20
36	54	40	-20
45	45	50	-21
54	36	60	-18
63	27	70	-18

Вывод: чем больше содержание поваренной соли в смеси, тем больше гипотермический (охлаждающий) эффект. Максимальное охлаждение  до температуры  -21°С достигается при приготовлении смеси 3 части снега и 1 часть соли. При дальнейшем увеличении концентрации соли охлаждение смеси не происходит.

2.6. Парадокс H₂SO_4(конц)( приложение №5)

Концентрированная серная кислота даёт сильный гипертермический эффект при растворении в воде, в то же время со снегом она даёт хороший охлаждающий эффект.

 В первом случае – энергия разрушения кристаллической решётки кислоты меньше энергии гидратации кислоты водой, поэтому реакция сильно экзотермическая.

Во-втором случае, энергия кристаллической решётки льда оказалась больше энергии гидратации серной кислоты водой, т.е. на расплавление льда затрачивается больше тепла, чем его выделяется от соединения кислоты с водой.

Вещества	А, г	∆ Т, °С
H2SO4(конц) +100 г снега	12,6	-12
H2SO4(конц) +100 воды	12,6	+12

Общий вывод:

Проведенные опыты  подтвердили выдвинутые нами гипотезы: азотные удобрения и поваренная соль являются дешёвыми и довольно эффективными веществами для приготовления охлаждающих смесей. Наибольший гипотермический эффект дают соли аммиачная селитра и мочевина при растворении их в воде.

Охлаждающий эффект находится в прямой зависимости от содержания в смеси соли и агрегатного состояния растворителя.

Рекомендации по методике приготовления охлаждающих смесей.

1.Сосуд, в котором производится смешивание, должен быть хорошо изолирован непроводниками теплоты (пластик, пенопласт), чтобы полнее использовать  искусственный холод.

2.Смешивание производить как можно быстрее.

3.Смешиваемые вещества должны быть в мелкоизмельченном состоянии для увеличения площади  их соприкосновения.

Заключение.

В заключение, хотелось бы отметить, что меня очень увлекла работа по проблеме «Охлаждающие смеси». Для себя я нашла ответы на интересующие меня вопросы, узнала о парадоксальных свойствах некоторых  веществ (серной кислоты). Я узнала, что охлаждающие смеси используются очень широко и в разных сферах деятельности: начиная от быта и заканчивая крупными промышленными лабораториями.

Для тех, кто пожелает самостоятельно готовить охлаждающие смеси можно дать небольшие рекомендации:

1.Сосуд, в котором производится смешивание, должен быть хорошо изолирован непроводниками теплоты (пластик, пенопласт), чтобы полнее использовать  искусственный холод.

2.Смешивание производить как можно быстрее.

3.Смешиваемые вещества должны быть в мелкоизмельченном состоянии для увеличения площади  их соприкосновения.

4.Список использованной литературы.

1.     А. И. Перевозчиков «Проблемный опыт взаимодействия серной кислоты с водой» изд. «Химия в школе» №7, 2011год.

2.     БСЭ - Большая Советская Энциклопедия, 2-е изд. Том 51.

3.     http://hnc.ru/history/history.html

4.     http://www.ngpedia.ru/id316192p1.html

5.     http://2.mediatransformer.ru/ru/chem/3/

6.     http://www.hemi.nsu.ru/slovar.htm

7.     «Большая энциклопедия школьника» изд. «Махон» 2008 год.

8.     http://www.xumuk.ru/

9.http://chemistryandchemists.narod.ru

                                                    5.Приложения.

Приложение №1

1.Определение катионов соли

 

2.Определение анионов соли

Приложение №2  Охлаждение: соль + вода

               Смесь NH₄ NO_{3  +} H₂O

      

  (NaCl + H₂O)

                      

(NaNO₃+H₂O)                                           

           

 (NH₄Cl + H₂O)                                                              (CO(NH₂)₂ + H₂O)                     

                                                                                                    (мочевина)   

Приложение№3  Охлаждение: вода + соль + соль     

Приложение№4  Охлаждение: соль + снег     

NH₄Cl  +  снег                                                            NaCl +снег

NaNO₃+снег

Приложение№5