010 – Punt de fusió i densitat

Com es distingeix una substància d'una altra quan totes dues són sòlids blancs i inodors? No per l'aparença, sinó mitjançant el mesurament. Tota substància pura té un conjunt de propietats físiques que no depenen de quanta quantitat se n'tingui: la densitat, el punt de fusió, el punt d'ebullició. S'anomenen propietats intensives i funcionen com una empremta dactilar. Els laboratoris de control de qualitat verifiquen les matèries primeres d'aquesta manera, els científics forenses identifiquen mostres desconegudes d'aquesta manera i els geòlegs classifiquen els minerals d'aquesta manera.

La densitat és la relació entre la massa d'una mostra i el seu volum —quanta matèria hi ha empaquetada en cada mil·lilitre. El punt de fusió és la temperatura a la qual l'estructura ordenada del sòlid s'esfondra convertint-se en líquid, i es manté fix mentre dura la fusió: la calor que hi flueix es consumix trencant l'estructura, no apujant la temperatura, motiu pel qual una substància que es fon mostra un replà en un gràfic de temperatura en funció del temps.

En aquest laboratori mesurareu ambdues propietats per a la cera de parafina. primer pesareu una mostra i determinareu el seu volum per desplaçament d'aigua, donant la seva densitat; després fondreu una mostra pesada en un bany maria, seguint la temperatura al gràfic de la tauleta per capturar el replà de fusió. Junts, els dos números caracteritzen el material.

Objectius educatius

Familiarització amb l'entorn del laboratori

• Identifiqueu la disposició i l'equipament del laboratori, incloent-hi la balança electrònica, els cilindres graduats, la placa calenta, el suport de laboratori i les pinces, el termòmetre, el cronòmetre i les pinces de pressa.

Ús correcte de la balança electrònica

• Utilitzeu el vas de pesada i la funció de tara perquè la balança indiqui només la massa de la mostra.
• Peseu una mostra peça a peça fins a una massa objectiu, registrant-ho a mesura que avanceu.

Mesura del volum d'un sòlid irregular

• Determineu el volum per desplaçament d'aigua: llegiu el cilindre abans i després d'afegir el sòlid, i resteu.
• Llegiu el menisc a l'alçada dels ulls.

Determinació d'una densitat

• Calculeu la densitat com a massa dividida pel volum, amb les unitats correctes (g/mL), i compareu el resultat amb un valor de referència.

Mesurament d'un punt de fusió

• Munteu el bany maria amb el tub d'assaig i el termòmetre subjectats sense tocar el fons, i expliqueu per què el termòmetre no ha de tocar el vidre.
• Seguiu el gràfic de temperatura-temps, identifiqueu el replà de fusió i llegiu-ne el punt de fusió.
• S'utilitza un bany maria en lloc del contacte directe amb la placa calenta per fondre la mostra perquè proporciona un escalfament més suau i uniformement distribuït, la qual cosa evita el sobreescalfament localitzat, la degradació tèrmica de la mostra i redueix el risc d'inflamació si la mostra és inflamable.

Comprendre les propietats intensives

• La densitat i el punt de fusió no depèn de la mida de la mostra perquè són propietats intensives de la matèria. Això significa que depenen de la composició química de la substància i de com estan ordenades les seves partícules, no de la quantitat de matèria que hi hagi. Per exemple, una gota d'aigua i un oceaner sencer tenen exactament la mateixa densitat i es congelen o fonen a la mateixa temperatura. Això les fa molt útils per identificar substàncies perquè actuen com a "empremtes dials" úniques. Com que aquests valors són constants per a una substància pura a unes condicions determinades, mesurar la densitat o el punt de fusió d'una mostra desconeguda i comparar-la amb taules de referència permet saber exactament de quina substància es tracta, independentment de si es disposa d'una mica o de molta quantitat.

Protocol

Part 1: Densitat

1. Poseu el vaixell de pesatge a la balança.
2. Premeu "tara" per posar la balança a zero.
3. Peseu 5 peces de parafina.
4. Mesura el volum de la mostra de parafina per desplaçament d'aigua.
5. a) Mesura 20 ml d'aigua destil·lada amb el cilindre graduat.
6. b) Agafa el vaixell que conté els trossos de parafina i aboca els trossos al cilindre graduat deixant-los lliscar. Observa l'augment de volum.
7. c) El volum final, menys el volum inicial (20 mL), és igual al volum dels trossos de parafina.
8. Verifica que la massa i el volum de la parafina estiguin correctament introduïts a la taula de resultats de la tauleta.
9. La massa de parafina dividida pel seu volum és igual a la densitat de la parafina (en g/mL).

Part 2: El punt de fusió

7. Omple un vas de precipitats de 500 ml amb aigua freda de l'aixeta (aproximadament 6 °C).
8. Poseu el got d'aigua freda a la placa tèrmica.
9. Coneixent la densitat de la parafina, utilitzant unes pinces, diposita trossos de parafina sobre la balança utilitzant el vaixell de pesatge fins arribar a una massa que correspongui a un volum de 18 mL (21,25g).
10. Aboqueu la parafina pesada en un tub d'assaig buit.
11. Fixi una pinça universal al suport (posició inferior) per sobre del centre del vas de precipitats.
12. Connecteu el tub d'assaig a la pinça universal per sobre del centre del vas de precipitats.
13. Fixeu una segona pinça universal al suport (posició superior) per sobre del tub d'assaig.
14. Introduïu el termòmetre al tub d'assaig subjectant-lo a la pinça universal. El termòmetre no ha de tocar el fons del tub d'assaig.
15. Inicia el cronòmetre (botó vermell).
16. Poseu la temperatura de la placa calenta a 85 °C, espereu que la temperatura pugi a 57 °C. La parafina començarà a fondre's aproximadament 1 minut després d'haver assolit la temperatura de 57 °C (per tant, s'ha d'esperar un retard).

La temperatura del tub d'assaig pujarà, es mantindrà constant mentre la parafina es fon i, tot seguit, continuarà pujant. Espereu fins que la parafina estigui completament fosa. Seguiu el progrés de l'experiment al gràfic de la secció de resultats de la tauleta.

17. Baixa la temperatura de la placa de calefacció a 15°C.

Resultats previstos

Resultats esperats.

Per què el desplaçament dona el volum. Un sòlid irregular no té cap fórmula per al seu volum, però tot i així ocupa espai: submergit en aigua, desplaça exactament el seu propi volum de líquid, i la lectura del cilindre graduat puja aquesta quantitat. Amb la lectura inicial a 20 mL, la lectura final dóna el volum de la parafina directament per resta. La densitat es dedueix llavors: ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 mL = 0,85 g/mL. Fixeu-vos en el que revela immediatament aquest nombre: la parafina és menys densa que l'aigua (1,00 g/mL), raó per la qual la cera d'estearina (o de vela) sura.

Per què la temperatura es manté en una meseta. Un sòl es fon quan les seves partícules guanyen prou energia per escapar de la seva disposició ordenada. Mentre això passa, cada joule subministrat pel bany d'aigua es inverteix a desmuntar l'estructura —la calor latent de fusió— i no en sobra cap per a pujar la temperatura. El gràfic, doncs, puja, s'anivella a uns 57 °C mentre la parafina es fon, i torna a pujar només un cop ha desaparegut l'últim sòlid. El replà, i no pas cap lectura aïllada del termòmetre, és la mesura.

Per què la instal·lació està feta com està. El bany maria envolta el tub d'assaig amb un medi que escalfa uniformement i no pot superar els 100 °C, protegint la mostra de la cremada que causaria el contacte directe amb la placa. El termòmetre es subjecta separat del vidre perquè la paret del tub, calenta des de l'exterior, està a una temperatura superior a la de la mostra mateix; tocar-la esbiaixaria la lectura cap amunt. I el retard de què adverteix el protocol és física real: la calor trigarà a transmetre'ix a través de l'aigua i la cera fins al bulb del termòmetre.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

• Enfocament densitat i punt de fusió com a propietats que identifiquen una substància, i tècnica de mesura acurada.
• Activitats: peseu els trossos de parafina utilitzant la funció de tara; mesureu-ne el volum per desplaçament i calculeu-ne la densitat; feu l'experiment de fusió i llegiu el punt de fusió a partir del gràfic; compareu ambdós resultats amb els valors esperats i suggeriu raons per a qualsevol diferència.

11è curs

• Enfocament calor latent i la interpretació d'una corba temperatura-temps.
• Activitats: El replà de fusió es produeix perquè l'energia subministrada no augmenta la temperatura, sinó que s'utilitza com a calor latent de fusió per trencar les forces intermoleculars i passar la parafina de l'estat sòlid a l'estat líquid. El termòmetre no ha de tocar les parets del tub per assegurar-se que mesura la temperatura de la substància i no la del vidre que rep calor directament. S'utilitza un bany d'aigua per proporcionar un escalfament indirecte, lent i uniformement distribuït. La densitat es calcula dividint la massa pel volum ($\rho = m/V$). Si s'utilitzés el doble de massa de parafina, el replà de fusió seria més llarg (duraria més temps) perquè es requeriria el doble de calor latent per fondre tota la mostra, però la temperatura de fusió seria exactament la mateixa.

12è curs / Nivell universitari

• Enfocament propietats intensives versus extensives i disseny de mesuraments.
• Activitats: classifiqueu cada quantitat mesurada com a intensiva o extensiva i giustifiqueu la classificació; expliqueu per què un sòlid flotant frustra el desplaçament ingenu i com s'ha de dissenyar la mesura en un laboratori real; expliqueu l'amplada de l'interval de fusió de la parafina en funció de la seva composició d'hidrocarburs barrejats; indiqueu la densitat amb les xifres significatives adequades.

Equipament de laboratori

Instruments

• Vasos de precipitats (50 mL, 100 mL, 500 mL i 1000 mL)
• Balança electrònica
• Proetes graduades (70 mL i 100 mL)
• Plaqueta elèctrica
• Bastidor de laboratori i pinces
• Agitador magnètic
• Espàtules
• Provettes
• Termòmetres
• Temporitzador
• Pinces

Productes

• Parafina (trossos)