Lämpötilan ”piilosilla”! Sulamisen salattu draama: Kokeile Palmitiinihapon avulla!

Olen Keni Kuwako, tiedekouluttaja. Joka päivä on kokeellinen.

Suklaa sulaa kämmenelläsi, ja vesi muuttuu pakastimessa kovaksi jääksi. Aineet muuttavat olomuotoaan – puhutaan olomuodon muutoksesta – ja se tapahtuu ympärillämme jatkuvasti. Mutta oletko koskaan pysähtynyt miettimään, mitä lämpötilalle tapahtuu juuri muutoksen hetkellä?

Itse asiassa tämä ilmiö kätkee sisäänsä todella mielenkiintoisen tieteellisen draaman. Tällä kertaa otamme pääosaan koulun luonnontiedon tunneilta tutun aineen, palmitiinihapon, ja lähdemme tutkimaan lämpötilan muutoksen mystistä maailmaa!

Mikä ihmeen Palmitiinihappo?
Nimi ”palmitiinihappo” saattaa kuulostaa vieraalta. Mutta todellisuudessa se on osa jokapäiväistä elämäämme.

Palmitiinihappo on eräänlainen rasvahappo, ja nimensä mukaisesti se on pääkomponentti palmuöljyssä, jota saadaan öljypalmusta. Sitä käytetään monissa elintarvikkeissa, saippuoissa ja kosmetiikassa. Huoneenlämmössä se on voin kaltainen valkoinen kiinteä aine, mutta lämmitettäessä se muuttuu läpinäkyväksi nesteeksi – varsin mielenkiintoinen ominaisuus!

Kemian maailmassa sen kemiallinen rakenne näyttää tältä: Siinä on pitkä ketju hiiliatomeja (C) rivissä, mikä on sille tyypillistä.

Kokeilun aika! Lämpömittarin numeroihin kätketty draama
Nyt on aika aloittaa koe! Tämän kokeen tavoitteena on lämmittää palmitiinihappoa ja tarkkailla tarkasti lämpötilan muutosta sillä hetkellä, kun se muuttuu kiinteästä nestemäiseen. Yritämme luoda itse sen kuuluisan sulatuskäyrän, jonka olet nähnyt oppikirjassa.

Käytetyt välineet ja valmistelut

Jos koe tehdään oppitunnilla, tarvittavat välineet ovat:

• Palmitiinihappo (pieni määrä riittää, se on turvallinen ja helppo käsitellä)
• Koeputki (tai pieni dekanterilasi)
• Lämpömittari (digitaalinen tai analoginen)
• Lämmityslaite (kuuma vesi, keittolevy tms.)
• Ajastin
• Taulukkolaskentaohjelma tai kuvaajan piirtopaperi (oppilaille)

Välineet kootaan näin:

Lämpötila, jossa palmitiinihappo muuttuu nesteeksi – sen sulamispiste – on 62.9°C. Tämän lämpötilan molemmin puolin tapahtuu draamaa.

Kun ainetta oikeasti lämmittää…

• Noin 60°C:ssa, hei hetkinen! Lämpötilan nousu hidastuu…
• Valkoinen kiinteä aine muuttuu vähitellen läpinäkyväksi nesteeksi! Lämpötila ei juuri muutu!
• Heti kun kaikki on sulanut, lämpötila alkaa taas nousta voimakkaasti!

Tämä muutos saa varmasti jokaisen huudahtamaan ”Vau!” Se on se hetki, jolloin oppikirjan kuvaaja ilmestyy todellisena ilmiönä silmiesi eteen. Tällä kertaa keräsimme tiedot taulukkolaskentaan ja teimme niistä kuvaajan. Tässä on tiedoston tallennusversio.

Onnistumisen Salaisuus: Lämmin vesi on avain!
Tämän vaikuttavan hetken taltioimiseksi tarvitaan itse asiassa pieni temppu. Lämmitystavalla on suuri merkitys kokeen onnistumisessa.

Kun lämmitetään kylmästä vedestä

Esimerkki)

→ Kestää liian kauan! Emme ehtineet sulamispisteeseen oppitunnin aikana…

Kun lämmitetään kuumasta vedestä
Esimerkki)

→ Liian nopeaa! Lämpötilan muutos tapahtui hetkessä, ja meiltä jäi väliin se ratkaiseva hetki, jolloin lämpötila junnaa paikallaan…

Kun lämmitetään kädenlämpöisestä vedestä (noin 30°C)
→ Tämä on paras tapa! Lämpötila nousee hitaasti, joten pystyimme tarkkailemaan olomuodon muutoksen draamaa rauhassa!

Miksi? Mysteeri lämpötilan nousun pysähtymisen takana
Kokeen mielenkiintoisin vaihe on se pysähdystila, jossa lämpötila ei juuri nouse, vaikka lämmitystä jatketaan, kun aine muuttuu kiinteästä nesteeksi. Miksi näin tapahtuu?

Avain tähän on piilevä lämpö (latent heat).

Kuten nimikin viittaa, se on ”piilossa olevaa lämpöä”. Kiinteässä tilassa monet molekyylit ovat tiukasti toisiinsa kytkeytyneitä ja järjestyneet säännöllisesti. Kun tähän lisätään energiaa lämmön muodossa, molekyylit alkavat täristä ja lämpötila nousee.

Mutta kun sulamispiste saavutetaan, lisätty lämpöenergia ei enää käytetä lämpötilan nostamiseen, vaan katkaisemaan molekyylien välisiä sidoksia, jotta ne pääsevät liikkumaan vapaasti. Tämä on olomuodon muutoksen todellinen luonne.

Kunnes kaikki molekyylit ovat vapaasti liikkuvia nesteitä, lämpöenergia on omistautunut kokonaan tähän ”sidosten katkaisutyöhön”. Siksi lämpömittarin lukema ei nouse. Ja heti kun kaikkien sidokset on katkaistu ja aine on täysin nestemäistä, lämpöenergia palaa kiihdyttämään molekyylien liikettä, ja lämpötila alkaa jälleen nousta.

Sama tapahtuu, kun jää muuttuu vedeksi. Jääkaapista otettua jäätä lämmitettäessä se pysyy 0°C:ssa, kunnes se on kokonaan sulanut, eikö totta? Tuolloin jään molekyylit ovat muuttumassa vedeksi käyttämällä piilevää lämpöä.

Yhteenveto
Tämän kokeen aikana me vain lämmitimme palmitiinihappoa, mutta sen taustalla piili hyvin tärkeä periaate, joka opitaan yläkoulun luonnontiedossa: olomuodon muutos ja piilevä lämpö.

Hetki, jolloin lämpömittarin lukema hidastuu, on todiste siitä, että näkymättömien molekyylien maailmassa lämpöenergia tekee kaikkensa muuttaakseen aineen olomuotoa. Tällainen löytö, jossa teoria ja todellisuus kohtaavat täydellisesti, tarjoaa parhaan mahdollisen oppimiskokemuksen.

Jos sinulla on mahdollisuus tehdä vapaaehtoista tutkimusta kotona, muista tunnuslause ”Aloita kädenlämpöisestä vedestä!” ja seuraa tuttujen aineiden lämpötilan muutoksia. Tulet varmasti lumoutumaan tieteen kiehtovuudesta!

Yhteydenotot ja tilaukset
Tuo tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäksi! Täältä löydät selkeät ohjeet hauskoihin kotikokeisiin ja vinkkeihin. Hae lisää tietoa!
・Tiedeblogin sisältö on julkaistu kirjana. Lisätietoja tästä
・Lisätietoja ylläpitäjä Keni Kuwakosta tästä
・Erityyppiset tilaukset (kirjoitukset, luennot, kokeelliset työpajat, TV-konsultointi/esiintymiset, jne.) tästä
・Artikkelien päivitykset ovat saatavilla X:ssä!

Tieteen temppukanava lähettää kokeellisia videoita!