010 – Temperatura topnienia i gęstość

Jak odróżnić jedną substancję od drugiej, gdy obie są białymi, bezwonnymi ciałami stałymi? Nie po wyglądzie – lecz poprzez pomiar. Każda czysta substancja posiada zestaw właściwości fizycznych, które nie zależą od jej ilości: gęstość, temperaturę topnienia, temperaturę wrzenia. Nazywa się je właściwościami intensywnymi i działają one jak odcisk palca. Laboratoria kontroli jakości w ten sposób weryfikują surowce, specjaliści medycyny sądowej identyfikują nieznane próbki, a geolodzy klasyfikują minerały.

Gęstość to stosunek masy próbki do jej objętości – czyli ilość materii upakowanej w każdym mililitrze. Temperatura topnienia to temperatura, w której uporządkowana struktura ciała stałego załamuje się w ciecz, i pozostaje ona stała w trakcie trwania procesu topnienia: napływające ciepło jest zużywane na rozrywanie struktury, a nie na podnoszenie temperatury, dlatego topniąca substancja wykazuje plateau na wykresie zależności temperatury od czasu.

W tym laboratorium zmierzysz obie właściwości parafiny. Najpierw zważysz próbkę i określisz jej objętość metodą wypierania wody, co pozwoli uzyskać jej gęstość; następnie stopisz zważoną próbkę w łaźni wodnej, śledząc temperaturę na wykresie tabletu, aby uchwycić plateau topnienia. Łącznie te dwie liczby charakteryzują materiał.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym

• Zidentyfikuj układ i wyposażenie laboratorium, w tym wagę elektroniczną, cylindry miarowe, płytę grzejną, statyw laboratoryjny i łapy, termometr, stoper oraz pęsetę.

Prawidłowe użytkowanie wagi elektronicznej

• Użyj szalki wagowej i funkcji tara, aby waga wskazywała samą masę próbki.
• Zaważą próbkę kawałek po kawałku do osiągnięcia docelowej masy, zapisując wyniki w trakcie.

Mierzenie objętości bryły nieregularnej

• Wyznacz objętość metodą wypierania wody: odczytaj wartość na cylindrze przed i po dodaniu ciała stałego, a następnie odejmij wyniki.
• Odczytaj menisk na wysokości wzroku.

Określanie gęstości

• Oblicz gęstość jako masę podzieloną przez objętość, z odpowiednimi jednostkami (g/mL), i porównaj wynik z wartością referencyjną.

Pomiar temperatury topnienia

• Zmontuj zestaw z łaźnią wodną, w którym probówka i termometr są zamocowane tak, aby nie dotykać dna, i wyjaśnij, dlaczego termometr nie może dotykać szkła.
• Postępuj zgodnie z wykresem temperatura–czas, zidentyfikuj plateau topnienia i odczytaj z niego temperaturę topnienia.
• Łaźnia wodna jest używana zamiast bezpośredniego kontaktu z płytą grzejną, ponieważ zapewnia łagodne, równomierne i kontrolowane ogrzewanie, co zapobiega przegrzaniu, rozkładowi termicznemu lub zapłonowi próbki.

Zrozumienie właściwości intensywnych

• Gęstość i temperatura topnienia nie zależą od wielkości próbki, ponieważ są to właściwości intensywne. Oznaczają one, że stosunek masy do objętości (w przypadku gęstości) lub temperatura przejścia fazowego ze stanu stałego w ciekły są stałe dla danej czystej substancji, niezależnie od ilości posiadanej substancji. Cechy te są niezwykle przydatne do identyfikacji substancji, ponieważ stanowią jej unikalny „odcisk palca” – pozwalają odróżnić jedną substancję od drugiej na podstawie ich stałych wartości fizycznych, niezależnie od tego, czy badamy mały kryształek, czy duży blok materiału.

Protokół

Część 1: Gęstość

1. Umieść łódkę wagową na szalce wagi.
2. Naciśnij/Potwierdź, aby ustawić wagę na zero.
3. Zważ 5 kawałków parafiny.
4. Zmierz objętość próbki parafiny metodą wyporu wody.
5. a) Odmierzyć 20 ml wody destylowanej za pomocą cylindra miarowego.
6. b) Weź łódkę zawierającą kawałki parafiny i wsyp kawałki do cylindra miarowego, pozwalając im zsunąć się. Obserwuj wzrost objętości.
7. c) Objętość końcowa, pomniejszona o objętość początkową (20 ml), jest równa objętości kawałków parafiny.
8. Sprawdź, czy masa i objętość parafiny są poprawnie wpisane w tabeli wyników na tablecie.
9. Masa parafiny podzielona przez jej objętość jest równa gęstości parafiny (w g/ml).

Część 2: Temperatura topnienia

7. Napełnij zlewkę o pojemności 500 ml zimną wodą z kranu (około 6 °C).
8. Postaw zlewkę z zimną wodą na płycie grzewczej.
9. Mając znaną gęstość parafiny, należy przy pomocy pęsety umieścić na wadze kawałki parafiny używając łódki wagowej do momentu uzyskania masy odpowiadającej objętości 18 ml (21,25g).
10. Wlej odważoną parafinę do pustej probówki.
11. Przymocuj uniwersalny zacisk do statywu (pozycja dolna) nad środkiem zlewki.
12. Podczas otwierania, umieść probówkę w uniwersalnym zacisku nad środkiem zlewki.
13. Podłącz drugi zacisk uniwersalny do statywu (pozycja górna) nad probówką.
14. Włóż termometr do probówki, przyczepiając go do zacisku uniwersalnego. Termometr nie może dotykać dna probówki.
15. Uruchom stoper (czerwony przycisk).
16. Ustaw temperaturę płyty grzewczej na 85°C, odczekaj, aż temperatura wzrośnie do 57°C. Parafina zacznie topić się około 1 minutę po osiągnięciu temperatury 57°C (należy zatem spodziewać się opóźnienia).

Temperatura w probówce wzrośnie, utrzyma się na stałym poziomie podczas topnienia parafiny, a następnie będzie nadal rosnąć. Odczekaj, aż parafina całkowicie się stopi. Śledź przebieg eksperymentu na wykresie w sekcji wyników na tablecie.

17. Obniż temperaturę płyty grzewczej do 15°C.

Przewidywane wyniki

Oczekiwane rezultaty.

Dlaczego wyporność daje objętość. Nieregularna bryła nie ma wzoru na swoją objętość, ale nadal zajmuje przestrzeń: zanurzona w wodzie wypiera dokładnie objętość cieczy równą swojej objętości, a wskazanie cylindra miarowego rośnie o tę wartość. Przy początkowym odczycie wynoszącym 20 ml, odczyt końcowy daje bezpośrednio objętość parafiny poprzez odejmowanie. Gęstość wynika wówczas ze wzoru: ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 ml = 0,85 g/ml. Zwróć uwagę, co ta liczba od razu ujawnia — parafina ma mniejszą gęstość niż woda (1,00 g/ml), dlatego wosk świecowy pływa.

Dlaczego temperatura utrzymuje się na stałym poziomie. Ciało stałe topi się, gdy jego cząstki zyskują wystarczająco dużo energii, aby uwolnić się ze swojego uporządkowanego układu. W tym czasie każdy dżul dostarczany przez łaźnię wodną jest zużywany na rozbijanie struktury – jest to ciepło utajone topnienia – i nic nie zostaje na podniesienie temperatury. Wykres zatem pnie się w górę, wypłaszcza się w temperaturze około 57 °C, podczas gdy parafina się topi, i znów zaczyna rosnąć dopiero, gdy zniknie ostatnia część ciała stałego. Pomiarem jest plateau, a nie jakikolwiek pojedynczy odczyt termometru.

Dlaczego konfiguracja została zbudowana w taki sposób, w jaki została. Łaźnia wodna otacza probówkę ośrodkiem, który ogrzewa się równomiernie i nie może przekroczyć 100 °C, chroniąc próbkę przed przypaleniem, do którego doprowadziłby bezpośredni kontakt z płytą grzejną. Termometr jest zamocowany w taki sposób, aby nie dotykać szkła, ponieważ ścianka probówki, ogrzewana z zewnątrz, ma wyższą temperaturę niż sama próbka; jej dotknięcie zafałszowałoby odczyt w górę. Opóźnienie, przed którym ostrzega procedura, to czysta fizyka: ciepło potrzebuje czasu, aby dotrzeć poprzez wodę i wosk do czujnika termometru.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie: gęstość i temperatura topnienia jako właściwości identyfikujące substancję oraz staranna technika pomiarowa.
• Aktywności: zważ kawałki parafiny za pomocą funkcji tarowania; zmierz ich objętość metodą wyporu i oblicz gęstość; przeprowadź eksperyment z topnieniem i odczytaj temperaturę topnienia z wykresu; porównaj oba wyniki z wartościami oczekiwanymi i zaproponuj przyczyny ewentualnych różnic.

Klasa 11

• Skupienie: ciepło utajone i interpretacja krzywej temperatura–czas.
• Aktywności: wyjaśnienie plateau topnienia za pomocą utajonego ciepła topnienia; wyjaśnienie, dlaczego termometr nie może dotykać probówki i dlaczego stosuje się łaźnię wodną; obliczenie gęstości; przewidywanie kształtu krzywej w przypadku użycia dwukrotnie większej masy parafiny.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie: właściwości intensywne a ekstensywne oraz projektowanie pomiarów.
• Aktywności: sklasyfikuj każdą zmierzoną wielkość jako intensywną lub ekstensywną i uzasadnij tę klasyfikację; wyjaśnij, dlaczego pływające ciało stałe uniemożliwia zastosowanie metody wyporowej w jej najprostszej postaci oraz jak należy zaprojektować pomiar w rzeczywistym laboratorium; wyjaśnij szerokość zakresu topnienia parafiny ze względu na jej mieszany węglowodorowy skład; podaj gęstość z odpowiednią liczbą cyfr znaczących.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Zlewiki (50 mL, 100 mL, 500 mL i 1000 mL)
• Waga elektroniczna
• Cylindry miarowe (70 mL i 100 mL)
• Płyta grzewcza
• Stojak laboratoryjny i zaciski
• Mieszadło magnetyczne
• Szpatułki
• Próbówki
• Termometry
• Minutnik
• Pęseta

Produkty

• Parapina (kawałki)