010 – Punto di fusione e densità

Come si fa a distinguere una sostanza da un'altra quando sono entrambe solidi bianchi e inodori? Non dall'aspetto, ma attraverso la misurazione. Ogni sostanza pura possiede una serie di proprietà fisiche che non dipendono dalla quantità che se ne possiede: la sua densità, il suo punto di fusione, il suo punto di ebollizione. Queste sono chiamate proprietà intensive e funzionano come un'impronta digitale. I laboratori di controllo qualità verificano le materie prime in questo modo, gli scienziati forensi identificano campioni sconosciuti in questo modo e i geologi classificano i minerali in questo modo.

La densità è il rapporto tra la massa di un campione e il suo volume, ovvero quanta materia è racchiusa in ogni millilitro. Il punto di fusione è la temperatura alla quale la struttura ordinata del solido collassa in liquido, e rimane costante mentre la fusione è in corso: il calore che entra viene consumato per rompere la struttura, non per aumentare la temperatura, motivo per cui una sostanza in fusione mostra un plateau su un grafico temperatura-tempo.

In questo laboratorio misurerete entrambe le proprietà per la cera di paraffina. Prima peserete un campione e ne determinerete il volume per spostamento d'acqua, ottenendone la densità; poi farete fondere un campione pesato in un bagno d'acqua, seguendo la temperatura sul grafico del tablet per cogliere l'altopiano di fusione. Insieme, i due numeri caratterizzano il materiale.

Obiettivi Educativi

Familiarizzazione con l'ambiente di laboratorio

• Identificare la disposizione e le attrezzature del laboratorio, inclusi la bilancia elettronica, i cilindri graduati, la piastra riscaldante, il supporto da laboratorio con pinze, il termometro, il cronometro e le pinzette.

Corretto utilizzo della bilancia elettronica

• Usa la capsula di pesata e la funzione di tara in modo che la bilancia indichi solo la massa del campione.
• Pesa un campione pezzo per pezzo fino a raggiungere una massa obiettivo, registrando man mano.

Misurare il volume di un solido irregolare

• Determinare il volume per spostamento d'acqua: leggere il cilindro prima e dopo aver aggiunto il solido e sottrarre.
• Leggere il menisco all'altezza degli occhi.

Determinazione di una densità

• Calcola la densità come massa divisa per il volume, con le unità corrette (g/mL), e confronta il risultato con un valore di riferimento.

Misurazione di un punto di fusione

• Montare il sistema a bagnomaria con la provetta e il termometro fissati a mezz'aria rispetto al fondo, e spiegare perché il termometro non deve toccare il vetro.
• Segui il grafico temperatura-tempo, identifica l'intervallo di fusione e leggi il punto di fusione da esso.
• Un bagnomaria, anziché il contatto diretto con la piastra riscaldante, viene utilizzato per fondere il campione al fine di garantire un riscaldamento uniforme e controllato, prevenire il surriscaldamento locale e ridurre il rischio di degradazione termica o incendio, specialmente se il campione è infiammabile o sensibile alle alte temperature.

Comprensione delle proprietà intensive

• La densità e il punto di fusione non dipendono dalla dimensione del campione perché sono proprietà intensive della materia. Ciò significa che dipendono dalla composizione chimica della sostanza e dal tipo di legame tra le particelle, non da quanta materia è presente. Ad esempio, se si divide a metà un campione d'oro, la sua massa e il suo volume diminuiscono, ma il loro rapporto (la densità) rimane esattamente lo stesso. Allo stesso modo, le forze intermolecolari che tengono unita una sostanza sono le stesse indipendentemente dalla quantità, quindi la temperatura necessaria per fonderla non varia. Questa caratteristica rende la densità e il punto di fusione estremamente utili per identificare le sostanze. Poiché ogni sostanza pura ha valori unici e costanti per queste proprietà, è possibile confrontare i dati misurati di un campione sconosciuto con i valori noti presenti in letteratura (come tabelle scientifiche) per determinarne l'identità senza dover analizzare l'intero oggetto.

Protocollo

Parte 1: Densità

1. Posizionare la barchetta di pesata sul piatto della bilancia.
2. Premi tara per azzerare la bilancia.
3. Pesare 5 pezzi di paraffina.
4. Misura il volume del campione di paraffina mediante spostamento d'acqua.
5. a) Misurare 20 mL di acqua distillata con il cilindro graduato.
6. b) Prendere la barchetta contenente i pezzi di paraffina e versare i pezzi nel cilindro graduato facendoli scivolare. Osservare l'aumento di volume.
7. c) Il volume finale, meno il volume iniziale (20 mL), è uguale al volume dei pezzi di paraffina.
8. Verificare che la massa e il volume della paraffina siano stati inseriti correttamente nella tabella dei risultati sul tablet.
9. La massa di paraffina divisa per il suo volume è uguale alla densità della paraffina (in g/mL).

Parte 2: Il punto di fusione

7. Riempire un becher da 500 mL con acqua fredda del rubinetto (circa 6 °C).
8. Posiziona il becher di acqua fredda sulla piastra riscaldante.
9. Conoscendo la densità della paraffina, utilizzando una pinzetta, posizionare pezzi di paraffina sulla bilancia utilizzando la barchetta di pesata fino a raggiungere una massa corrispondente a un volume di 18 mL (21,25 g).
10. Versa la paraffina pesata in una provetta vuota.
11. Fissare una pinza universale al supporto (posizione inferiore) sopra il centro del becher.
12. Fissare la provetta al morsetto universale sopra il centro del becher.
13. Agganciare un secondo morsetto universale al supporto (posizione superiore) sopra la provetta.
14. Inserire il termometro nella provetta agganciandolo al morsetto universale. Il termometro non deve toccare il fondo della provetta.
15. Avvia il cronometro (pulsante rosso).
16. Impostare la piastra riscaldante a 85 °C, attendere che la temperatura salga a 57 °C. La paraffina inizierà a sciogliersi circa 1 minuto dopo che la temperatura di 57 °C è stata raggiunta (pertanto è da prevedere un ritardo).

La temperatura nella provetta salirà, si stabilizzerà su un plateau mentre la paraffina fonde, quindi continuerà a salire. Attendere che la paraffina sia completamente fusa. Seguire l'andamento dell'esperimento sul grafico nella sezione dei risultati del tablet.

17. Abbassare la temperatura della piastra riscaldante a 15°C.

Risultati Previsti

Risultati attesi.

Perché lo spostamento dà il volume. Un solido irregolare non ha una formula per il suo volume, ma occupa comunque spazio: immerso nell'acqua, sposta esattamente il proprio volume di liquido e la lettura del cilindro graduato sale di tale quantità. Con la lettura iniziale a 20 mL, la lettura finale fornisce direttamente il volume della paraffina per sottrazione. La densità si ottiene quindi: ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 mL = 0,85 g/mL. Si noti ciò che questo numero rivela immediatamente: la paraffina è meno densa dell'acqua (1,00 g/mL), motivo per cui la cera di candela galleggia.

Perché la temperatura si mantiene su un plateau. Un solido fonde quando le sue particelle acquistano abbastanza energia per uscire dalla loro disposizione ordinata. Mentre ciò accade, ogni joule fornito dal bagno d'acqua viene speso per smantellare la struttura — il calore latente di fusione — e nessuno viene impiegato per aumentare la temperatura. Il grafico quindi sale, si appiattisce a circa 57 °C mentre la paraffina fonde, e riprende a salire solo una volta che l'ultimo solido è scomparso. Il plateau, e non una singola lettura del termometro, è la misurazione.

Perché la configurazione è strutturata in questo modo. Il bagnomaria circonda la provetta con un mezzo che si riscalda uniformemente e non può superare i 100 °C, proteggendo il campione dal bruciamento che il contatto diretto con la piastra causerebbe. Il termometro è fissato senza toccare il vetro perché la parete della provetta, riscaldata dall'esterno, è più calda del campione stesso; toccarla falserebbe la lettura verso l'alto. E il ritardo di cui il protocollo avverte è fisica reale: il calore impiega tempo per propagarsi attraverso l'acqua e la cera fino al bulbo del termometro.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: densità e punto di fusione come proprietà che identificano una sostanza, e tecnica di misurazione accurata.
• Attività: pesare i pezzi di paraffina usando la funzione di tara; misurare il loro volume per spostamento e calcolare la densità; eseguire l'esperimento di fusione e leggere il punto di fusione dal grafico; confrontare entrambi i risultati con i valori attesi e suggerire le ragioni di eventuali differenze.

Undicesimo anno

• Concentrazione: calore latente e l'interpretazione di una curva temperatura-tempo.
• Attività: Spiegazione del plateau di fusione in termini di calore latente di fusione: durante il cambiamento di stato da solido a liquido, il calore fornito non aumenta la temperatura della paraffina, ma viene assorbito come calore latente di fusione per rompere i legami intermolecolari del reticolo cristallino. Perché il termometro non deve toccare la provetta e perché si usa un bagno d'acqua: il termometro deve misurare la temperatura della sostanza e non quella delle pareti di vetro della provetta, che sono più calde. Il bagno d'acqua viene utilizzato per garantire un riscaldamento uniforme e graduale della paraffina. Calcolo della densità: la densità si calcola dividendo la massa della paraffina per il suo volume misurato ($\rho = m/V$). Previsione della forma della curva se si utilizzasse il doppio della massa di paraffina: la curva avrebbe un plateau di fusione più lungo nel tempo, poiché sarebbe necessario una quantità doppia di calore latente per fondere l'intera massa, ma la temperatura del plateau (punto di fusione) rimarrebbe la stessa.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: proprietà intensive rispetto alle proprietà estensive e progettazione della misurazione.
• Attività: classificare ciascuna quantità misurata come intensiva o estensiva e giustificare la classificazione; spiegare perché un solido galleggiante vanifica il metodo di sbarco ingenuo e come la misurazione dovrebbe essere progettata in un laboratorio reale; rendere conto dell'ampiezza dell'intervallo di fusione della paraffina in termini della sua composizione idrocarburica mista; indicare la densità con le cifre significative appropriate.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bakers (50 mL, 100 mL, 500 mL e 1000 mL)
• Bilancia elettronica
• Prorette graduate (70 mL e 100 mL)
• Piastra riscaldante
• Supporto da laboratorio e morsetti
• Agitatore magnetico
• Spatole
• Provette
• Termometri
• Timer
• Pinzette

Prodotti

• Paraffina (pezzi)