Pieni isku, ja vesi jäätyy hetkessä! Ylijäähtymisen yllättävä salaisuus

Tervehdys! Täällä tiedevalmentaja Ken Kuwako. Minulle jokainen päivä on uusi koe.

”Mitä jos edessäsi oleva neste jäätyisi silmänräpäyksessä kuin taikaiskusta…?”

Oletko koskaan nähnyt jotain näin hämmästyttävää? Kirkas vesi muuttuu jääksi yhdellä sormen kosketuksella, aivan kuin aika pysähtyisi. Me tiedekerhossa otimme haasteeksemme tämän dramaattisen ilmiön, jota kutsutaan nimellä alijäähtyminen.

Kyse on kiehtovasta vedestä, joka pysyy nestemäisenä, vaikka sen lämpötila laskisi reilusti alle kymmenen pakkasasteen. Hetki, jolloin vesi jäätyy kerralla pienen ärsykkeen vaikutuksesta, saa ihon kananlihalle kerta toisensa jälkeen. Kokeilujen ja erehdysten kautta löysimme ”salaisen reseptin”, johon tarvitaan vain tavallista, lähikaupasta saatavaa hiilihapotettua vettä. Haluan teidänkin kokevan onnistumisen riemun, joten tässä ovat tarkat ohjeet!

Tiedekerhon opas ”pikapakastuksen” valmisteluun

Avain alijäähtymisen onnistumiseen on tarkka lämpötilan hallinta ja täydellinen rauha. Valmistele koeympäristö seuraavasti:

Laita jäätä pussiin, murskaa se hienoksi ja levitä se hyvin eristävän styroksilaatikon pohjalle.

Lisää jään joukkoon runsaasti suolaa ja tilkka vettä, ja sekoita. Suola laskee jään sulamispistettä, minkä ansiosta veden lämpötila laskee noin -15 asteeseen (ilmiö tunnetaan jäätymispisteen alenemisena).

Aseta hiilihapotettu vesipullo varovasti jääveteen siten, ettet hölskytä sitä.

Anna pullon olla täysin rauhassa 25 minuuttia. Jos odotat 30 minuuttia, vesi alkaa usein jäätyä jo itsekseen, joten 25 minuuttia on se maaginen aika. Tämä odottaminen on kriittinen vaihe, jossa vesimolekyylit ikään kuin unohtavat jäätyä ja jatkavat kylmenemistä nestemäisessä tilassa. Kun aika on kulunut, nosta pullo erittäin varovasti kuin pidättäisit hengitystäsi, ja kierrä korkkia. Mitä silloin tapahtuukaan?

Miksi se jäätyy juuri korkin avautuessa?

Huomasitko, kuinka valkoinen jääpilari kiisi pullon läpi heti korkin avaamisen jälkeen? Alijäähtynyt vesi on tilassa, jossa se ”haluaisi jäätyä, mutta ei pysty ilman alkusyytä”. Se on erittäin epävakaassa ja herkässä tasapainossa. Vaikka tavallinenkin vesi voi alijäähtyä, hiilihapotetun veden käytölle on hyvä syy. Kun korkki avataan, hiilidioksidikuplat vapautuvat vauhdilla ja antavat vesimolekyyleille voimakkaan sysäyksen. Tämä pieni ärsyke toimii laukaisimena, ja jäätyminen etenee kuin kaatuvat dominonappulat.

Mikä on jään sekaan lisätyn suolan tehtävä?

Kokeen valmistelussa sekoitimme jäähän suolaa. Mutta miksi juuri suolaa eikä esimerkiksi sokeria? Tässä on mielenkiintoinen tieteellinen yhteys. Kun jää sulaa vedeksi, se sitoo itseensä lämpöä ympäristöstä. Tätä kutsutaan sulamislämmöksi. Kun joukkoon lisätään suolaa, tapahtuu jäätymispisteen aleneminen, ja jää alkaa sulaa hurjaa vauhtia. Koska jää pakotetaan sulamaan, se imee valtavasti lämpöä ympäristöstään, jolloin lämpötila romahtaa. Jos sekoitat suolaa ja jäätä suhteessa 1:3, lämpötila voi teoriassa laskea jopa -21 asteeseen! Se on yhtä kylmää kuin kotipakastimessa.

Miksi sokeri ei toimi samalla tavalla? Hiukkasten salaisuus

Saatat miettiä, eikö sokerilla saisi aikaan saman tuloksen. Sokeri laskee kyllä lämpötilaa, mutta se ei ole yhtä tehokasta kuin suola. Syy löytyy veteen liuenneiden hiukkasten määrästä. Kun suola (natriumkloridi) liukenee veteen, se jakautuu kahdeksi eri hiukkaseksi: natriumioneiksi ja kloridi-ioneiksi. Sokeri taas pysyy yhtenä kokonaisena molekyylinä, vaikka se liukenisikin. Koska suola tuottaa enemmän ”jäätymistä häiritseviä hiukkasia” samalla määrällä, se pystyy laskemaan lämpötilaa paljon tehokkaammin.

Makea valkokaali – luonnon viisautta jäätymistä vastaan

Tämä periaate – se, että veteen liuennut aine vaikeuttaa jäätymistä – löytyy myös ruokapöydästämme. Tiedätkö, miksi talvinen valkokaali maistuu niin makealta?

Valkokaalille ja muille vihanneksille solun sisäisen veden jäätyminen tarkoittaa kuolemaa, sillä jääkristallit rikkovat solurakenteet. Niinpä kaali alkaa kylmää tuntiessaan muuttaa varastoimaansa tärkkelystä sokeriksi ja liuottaa sitä solunesteeseensä. Muuttamalla itsensä ikään kuin ”väkeväksi sokeriliuokseksi” se suojelee itseään jäätymiseltä jopa pakkasasteilla. Talvivihannesten herkullinen makeus on siis kasvien keino selviytyä pakkasesta hengissä.

6. Epäonnistuminen on kutsu tieteen pariin

Kuten alussa mainitsin, mekin epäonnistuimme tiedekerhossa monta kertaa. Pienikin tärähdys tai muutos ympäristön lämpötilassa saa veden jäätymään ennenaikaisesti. Mutta juuri epäonnistumisten kautta syntyivät uudet keskustelut: ”Laitetaan pullo ensi kerralla vieläkin varovaisemmin” tai ”Lasketaanpa lämpötilaa vielä yhdellä asteella”. Se on ihmeellistä, kuinka näkymättömät molekyylit järjestyvät taistellessaan lämpötilaa vastaan. Onnistuneen kokeen kauneus avautuu vain sille, joka uskaltaa yrittää itse. Toivottavasti tekin pääsette kokemaan tieteen ilon aidoimmillaan!

Tässä on video toisesta kerrasta, jolloin koe onnistui täydellisesti. Kiinnitä huomiota jäätymisen nopeuteen!

Kyselyt ja yhteistyöpyynnöt

Tieteen ihmeet ja hauskuus lähemmäs arkea! Olen koonnut helposti ymmärrettäviä ohjeita ja vinkkejä hauskoihin kotikokeisiin. Käy tutustumassa! ・”Science Note” -sisällöt on julkaistu kirjana. Lisätietoja täältä. ・Tietoa ylläpitäjä Ken Kuwakosta löydät täältä. ・Erilaiset toimeksiannot (kirjoittaminen, luennot, tiedepajat, TV-konsultointi, esiintymiset jne.) täältä. ・Uusimmat päivitykset löydät X-palvelusta!

Tiedevinkkien kanavalla julkaistaan koevideoita!