010 – Bod tání a hustota

Jak rozeznáte jednu látku od druhé, když jsou obě bílé, bez zápachu a v pevném skupenství? Ne podle vzhledu – podle měření. Každá čistá látka nese soubor fyzikálních vlastností, které nezávisí na tom, kolik jí máte: její hustotu, bod tání, bod varu. Říká se jim intenzivní vlastnosti a fungují jako otisk prstu. Laboratoře pro kontrolu kvality takto ověřují suroviny, forenzní vědci takto identifikují neznámé vzorky a geologové takto klasifikují minerály.

Hustota je poměr hmotnosti vzorku k jeho objemu – kolik hmoty je natěsnáno v každém mililitru. Bod tání je teplota, při které se uspořádaná struktura pevné látky zhroutí v kapalinu, a během tání zůstává tato teplota stálá: přitékající teplo se spotřebovává na porušení struktury, nikoli na zvyšování teploty, což je důvod, proč tající látka vykazuje na grafu závislosti teploty na čase plateau.

V této laboratoři změřit obě vlastnosti parafinového vosku. Nejprve zvážíte vzorek a určíte jeho objem metodou vytlačení vody, čímž získáte jeho hustotu; poté roztavíte zvážený vzorek ve vodní lázni a budete sledovat teplotu na grafu tabletu, abyste zachytili bod tání. Společně tyto dvě hodnoty charakterizují materiál.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Identifikujte uspořádání a vybavení laboratoře, včetně elektronických vah, odměrných válců, varné desky, laboratorního stojanu a svorek, teploměru, stopkek a pinzety.

Správné použití elektronických vah

• Použijte váženku a funkci tare, aby váha ukazovala pouze hmotnost vzorku.
• Vážte vzorek po kouscích až do cílové hmotnosti a průběžně ji zaznamenávejte.

Měření objemu nepravidelného tělesa

• Určete objem ponořením do vody: odečtěte hodnotu na válci před a po přidání pevné látky a odečtěte je.
• Odečtěte meniskus v úrovni očí.

Určení hustoty

• Vypočítejte hustotu jako hmotnost vydělenou objemem se správnými jednotkami (g/ml) a porovnejte výsledek s referenční hodnotou.

Měření bodu tání

• Sestavte vodní lázeň tak, aby zkumavka i teploměr byly uchyceny v držácích tak, aby se nedotýkaly dna, a vysvětlete, proč se teploměr nesmí dotýkat skla.
• Sledujte graf teploty v závislosti na čase, identifikujte plošinu tání a odečtěte z ní bod tání.
• Vodní lázeň se namísto přímého kontaktu s horkou platničkou používá k tání vzorku proto, že zajišťuje rovnoměrnější a kontrolovatelnější zahřívání, což zabraňuje přehřátí, vzniku lokálních horkých míst a případnému tepelnému rozkladu nebo vznícení vzorku.

Pochopení intenzivních vlastností

• Hustota a teplota tání nezávisí na velikosti vzorku, protože jsou to intenzivní vlastnosti. To znamená, že závisí na vnitřním složení látky a typu atomů nebo molekul, ze kterých je tvořena, nikoliv na množství hmoty. Pokud vzorek zvětšíte, hmotnost i objem se zvětší ve stejném poměru, takže jejich podíl (hustota) zůstává konstantní. Stejně tak částice potřebují ke změně skupenství vždy stejné množství energie bez ohledu na to, jak velký je celek. Díky tomu jsou tyto vlastnosti pro identifikaci látek velmi užitečné – vědci mohou s jistotou určit neznámý materiál porovnáním jeho hustoty a teploty tání s referenčními tabulkami, bez ohledu na to, jak velký vzorek mají k dispozici.

Protokol

Část 1: Hustota

1. Položte váženku na vážicí misku váhy.
2. Stiskněte tlačítko TARE pro vynulování váhy.
3. Vážte 5 kusov parafínu.
4. Změřte objem vzorku parafinu metodou vytlačené vody.
5. a) Odměřte 20 ml destilované vody v odměrném válci.
6. b) Vezměte loďku s kousky parafínu a kousky do odměrného válce nalijte tak, aby sklouzly. Sledujte nárůst objemu.
7. c) Konečný objem, mínus počáteční objem (20 mL), se rovná objemu parafinových částí.
8. Ověřte, že hmotnost a objem parafínu jsou správně zadány v tabulce výsledků na tabletu.
9. Hmotnost parafínu dělená jeho objemem se rovná hustotě parafínu (v g/ml).

Část 2: Bod tání

7. Naplňte 500 ml kádinku studenou vodou z kohoutku (přibližně 6 °C).
8. Položte kádinku se studenou vodou na plotýnku.
9. Po zjištění hustoty parafínu pomocí pinzety navážecí lodičkou přikládejte kousky parafínu na váhy, dokud nedosáhnete hmotnosti odpovídající objemu 18 mL (21,25 g).
10. Nalej zvážený parafín do prázdnej odmernej skúmavky.
11. Připevněte univerzální svorku k podpoře (ve spodní poloze) nad středem baňky.
12. Připevněte zkumavku k univerzální svorce nad středem kádinky.
13. Připojte druhý univerzální držák k podpoře (horní poloha) nad zkumavkou.
14. Zasuňte teploměr do zkumavky tak, že ho připevníte k univerzální svorce. Teploměr se nesmí dotýkat dna zkumavky.
15. Spusťte stopky (červené tlačítko).
16. Nastavte teplotu plotýnky na 85 °C, počkejte, až teplota stoupne na 57 °C. Parafín se začne tavit přibližně 1 minutu po dosažení teploty 57 °C (tedy je třeba počítat se zpožděním).

Teplota v zkumavce stoupne, po dobu tání parafinu se zastaví na stabilní hodnotě a poté poroste dál. Počkejte, dokud nebude parafin úplně roztavený. Sledujte průběh experimentu na grafu v sekci výsledků na tabletu.

17. Snižte teplotu topné desky na 15°C.

Předvídané výsledky

Očekávané výsledky.

Proč posunutí dává objem. Nepravidelné těleso nemá žádný vzorec pro svůj objem, ale přesto zabírá prostor: ponořené do vody vytlačí přesně svůj vlastní objem kapaliny a údaj na odměrném válci se o tuto hodnotu zvýší. Při počátečním stavu 21,25 mL ÷ 25 mL = 0,85 g/mL. Všimněte si, co toto číslo okamžitě odhaluje – parafín má menší hustotu než voda (1,00 g/mL), a proto vosk plave.

Proč se teplota drží na stabilní hodnotě. Pevná látka taje, když její částice získají dostatek energie k tomu, aby se vymanily ze svého uspořádaného uspořádání. Během tohoto procesu je každý joul dodaný vodní lázní spotřebován na rozpad struktury – což je latentní tání teplo – a žádný nezbývá na zvýšení teploty. Graf proto stoupá, při teplotě přibližně 57 °C se v době tání parafínu sploští a v růstu pokračuje teprve tehdy, když je poslední pevná částice pryč. Měřením je tato plošina, nikoli jakýkoli jednotlivý údaj na teploměru.

Proč je tato sestava postavená tak, jak je. Vodní lázeň obklopuje zkumavku s médiem, které ohřívá rovnoměrně a nemůže překročit 100 °C, čímž chrání vzorek před připálením, které by způsobil přímý kontakt s plotýnkou. Teploměr je upevněný tak, aby se nedotýkal skla, protože stěna zkumavky vyhřívaná zvenčí má vyšší teplotu než samotný vzorek; kontakt s ní by zkreslil měření směrem nahoru. A zpoždění, před kterým protokol varuje, je reálná fyzika: teplo potřebuje čas, než pronikne vodou a voskem k čidlu teploměru.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření hustota a teplota tání jako vlastnosti, které identifikují látku, a pečlivá měřicí technika.
• Aktivity: Zvažte kousky parafínu pomocí funkce tare; změřte jejich objem metodou vytlačení a vypočítejte hustotu; proveďte experiment s tavením a odečtěte bod tání z grafu; porovnejte oba výsledky s očekávanými hodnotami a navrhněte důvody pro případné rozdíly.

11. ročník

• Zaměření latentní teplo a interpretace křivky závislosti teploty na čase.
• Aktivity: Vysvětlení teplotní plošiny pomocí měrného skupenského tepla tání: Během tání parafínu dodávané teplo nezpůsobuje růst teploty (vzniká teplotní plošina), protože se veškerá dodaná energie spotřebuje jako skryté (latentní) teplo tání na přeměnu pevné látky na kapalnou, tedy na přerušení mezimolekulových vazeb v krystalové mřížce. Proč se teploměr nesmí dotýkat stěny zkumavky a proč se používá vodní lázeň: Teploměr se nesmí dotýkat stěny, protože by měřil teplotu skla, které je blíže zdroji tepla, a ne samotné látky. Vodní lázeň se používá k zajištění rovnoměrného a pozvolného ohřevu vzorku, což zabraňuje přehřátí a lokálním teplotním rozdílům. Výpočet hustoty: (Protože v zadání chybí konkrétní číselné hodnoty hmotnosti a objemu, nelze hustotu číselně vyčíslit. Obecný vzorec je $\rho = m/V$, kde $m$ je hmotnost a $V$ objem.) Předpověď tvaru křivky při použití dvojnásobné hmotnosti parafínu: Těžiště křivky a teplota tání (plošina) zůstanou stejné, ale plošina bude dvakrát delší (tání bude trvat dvakrát déle) a počáteční ohřev tuhé látky bude probíhat pozvolněji kvůli větší tepelné kapacitě systému.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření intenzivní versus extenzivní vlastnosti a návrh měření.
• Aktivity: klasifikujte každou měřenou veličinu jako intenzivní nebo extenzivní a odůvodněte tuto klasifikaci; vysvětlete, proč plovoucí tuhá látka maří naivním způsobem stanovení objemu ponořením, a navrhněte, jak by měření mělo být uspořádáno v reálné laboratoři; vysvětlete šířku teplotního intervalu tání parafinu s ohledem na jeho složení ze směsi uhlovodíků; uveďte hustotu s odpovídajícím počtem platných cifer.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Kádinky (50 ml, 100 ml, 500 ml a 1000 ml)
• Elektronická váha
• Odměrné válce (70 ml a 100 ml)
• Plotýnka
• Stojan a svorky
• Magnetické míchadlo
• Stěrky
• Zkumavky
• Teploměry
• Časovač
• Pinzeta

Produkty

• Parafín (kousky)