010 – Punct de topire și densitate

Cum deosebești o substanță de alta când amândouă sunt solide albe și fără miros? Nu după aspect — ci prin măsurare. Fiecare substanță pură poartă un set de proprietăți fizice care nu depind de cantitatea pe care o ai: densitatea, punctul de topire, punctul de fierbere. Acestea se numesc proprietăți intensive și funcționează ca o amprentă. Laboratoarele de control al calității verifică materiile prime în acest fel, oamenii de știință criminaliști identifică probe necunoscute în acest fel, iar geologii clasifică mineralele în acest fel.

Densitatea este raportul dintre masa unei probe și volumul acesteia — cât de multă materie este împachetată în fiecare mililitru. Punctul de topire este temperatura la care structura ordonată a unui solid se prăbușește în lichid și rămâne fixă în timpul procesului de topire: căldura care intră este consumată pentru a rufe structura, nu pentru a crește temperatura, motiv pentru care o substanță care se topește prezintă un platou pe un grafic temperatură-timp.

În acest laborator veți măsura ambele proprietăți pentru ceara de parafină. Mai întâi veți cântări o probă și îi veți determina volumul prin deplasarea apei, obținând densitatea acesteia; apoi veți topi o probă cântărită într-o baie de apă, urmărind temperatura pe graful tabletei pentru a surprinde platoul de topire. Împreună, cele două numere caracterizează materialul.

Obiective educaționale

Familiarizarea cu mediul de laborator

• Identificați dispunerea și echipamentul laboratorului, incluzând balanța electronică, cilindrii gradați, placa de încălzire, stativul de laborator și clemele, termometrul, cronometrul și penseta.

Utilizarea corectă a balanței electronice

• Folosiți coronița de cântărire și funcția de tarare, astfel încât balanța să indice doar masa probei.
• Cântărește o probă bucată cu bucată până la o masă țintă, înregistrând pe parcurs.

Măsurarea volumului unui solid neregulat

• Determinați volumul prin dezlocuirea apei: citiți nivelul cilindrului înainte și după adăugarea solidului și scădeți valorile.
• Citiți meniscul la nivelul ochilor.

Determinarea unei densități

• Calculați densitatea ca masă împărțită la volum, cu unitățile corecte (g/mL), și comparați rezultatul cu o valoare de referință.

Măsurarea unui punct de topire

• Asamblați baia de apă cu eprubeta și termometrul fixate la distanță de fundul vasului și explicați de ce termometrul nu trebuie să atingă sticla.
• Urmăriți graficul temperatură-timp, identificați platoul de topire și citiți punctul de topire de pe acesta.
• O baie de apă, mai degrabă decât contactul direct cu plita fierbinte, este utilizată pentru a topi proba deoarece asigură o încălzire uniformă și controlată, prevenind supraîncălzirea, degradarea termică sau aprinderea substanțelor inflamabile.

Înțelegerea proprietăților intensive

• Densitatea și punctul de topire nu depind de mărimea probei deoarece sunt proprietăți intensive. Aceasta înseamnă că ele depind de *tipul* de materie din care este alcătuită o substanță, nu de *cantitatea* acesteia. Pe măsură ce mărirești cantitatea dintr-o substanță, masa și volumul cresc în aceeași proporție, astfel încât raportul dintre masă și volum (densitatea) rămâne constant. În mod similar, energia termică necesară pentru a schimba starea de agregare a unei substanțe crește odată cu cantitatea, dar temperatura la care are loc această schimbare (punctul de topire) rămâne neschimbată, deoarece este determinată de tăria legăturilor dintre particulele substanței respective. Acest lucru le face extrem de utile pentru identificarea substanțelor deoarece: 1. Sunt unice: Fiecare substanță pură are propriul său set specific de proprietăți intensive. 2. Sunt constante și reproductibile: Indiferent dacă ai o picătură dintr-un lichid sau un ocean întreg, densitatea și punctul de topire vor avea aceeași valoare, permițând oamenilor de știință să compare probe necunoscute cu tabele de valori cunoscute pentru a identifica materialul în siguranță, fără a fi nevoie să consume sau să măsoare întreaga cantitate.

Protocol

Partea 1: Densitate

1. Așezați barca de cântărire pe talerul balanței.
2. Apăsați tare pentru a seta echilibrul la zero.
3. Cântăriți 5 bucăți de parafină.
4. Măsurați volumul probei de parafină prin metoda deplasării apei.
5. a) Măsurați 20 mL de apă distilată cu cilindrul gradat.
6. b) Luați barca ce conține bucățile de parafină și turnați bucățile în cilindrul gradat, lăsându-le să alunece. Observați creșterea volumului.
7. c) Volumul final, minus volumul inițial (20 mL), este egal cu volumul bucăților de parafină.
8. Verifică dacă masa și volumul parafinei sunt introduse corect în tabelul de rezultate de pe tabletă.
9. Masa parafinei împărțită la volumul acesteia este egală cu densitatea parafinei (în g/mL).

Partea 2: Punctul de topire

7. Umpleți un pahar Berzelius de 500 mL cu apă rece de la robinet (aproximativ 6 °C).
8. Pune paharul cu apă rece pe plita electrică.
9. Cunoscând densitatea parafinei, cu ajutorul pensetei, se vor așeza bucăți de parafină pe balanță folosind capsula de cântărire până la atingerea unei mase corespunzătoare unui volum de 18 mL (21,25g).
10. Se toarnă parafină cântărită într-o eprubetă goală.
11. Atașați o clemă universală la suport (poziție inferioară) deasupra centrului fiolei.
12. Atașați eprubeta de clema universală deasupra centrului de pahar.
13. Atașați o a doua clemă universală pe suport (poziția superioară) deasupra eprubetei.
14. Introduceți termometrul în eprubetă atașându-l la clema universală. Termometrul nu trebuie să atingă fundul eprubetei.
15. Porniți cronometrul (butonul roșu).
16. Setați temperatura plăcii de încălzire la 85 °C și așteptați ca temperatura să crească până la 57 °C. Parafina va începe să se topească la aproximativ 1 minut după atingerea temperaturii de 57 °C (așadar, este de așteptat să existe o întârziere).

Temperatura din eprubetă va crește, se va menține la un nivel constant în timp ce parafina se topește, apoi va continua să crească. Așteptați până când parafina este complet topită. Urmăriți progresul experimentului pe graficul din secțiunea de rezultate a tabletei.

17. Reduceți temperatura plăcii de încălzire la 15°C.

Rezultate anticipate

Rezultate așteptate.

De ce deplasarea dă volumul. Un solid neregulat nu are o formulă pentru volumul său, dar totuși ocupă spațiu: scufundat în apă, el împinge la o parte exact propriul său volum de lichid, iar gradația cilindrului gradat crește cu acea valoare. Cu citirea inițială la 20 mL, citirea finală oferă volumul parafinei direct prin scădere. Densitatea rezultă apoi: ρ = m/V = 21,25 g ÷ 25 mL = 0,85 g/mL. Observați ce dezvăluie imediat acest număr — parafina este mai puțin densă decât apa (1,00 g/mL), motiv pentru care ceara de lumânare plutește.

De ce temperatura rămâne constantă la un nivel de platou. Un solid se topește atunci când particulele sale câștigă suficientă energie pentru a ieși din aranjamentul lor ordonat. În timp ce acest lucru se întâmplă, fiecare joule furnizat de baia de apă este consumat pentru dezmembrarea structurii — căldura latentă de topire — și nu mai rămâne nimic pentru a crește temperatura. Prin urmare, graficul urcă, se aplatizează la aproximativ 57 °C în timp ce parafina se topește și își reia ascensiunea abia după ce ultimul solid a dispărut. Platoul, și nu nicio citire singulară a termometrului, reprezintă măsurătoarea.

De ce configurația este construită așa cum este. Baia de apă înconjoară eprubeta cu un mediu care încălzește uniform și nu poate depăși 100 °C, protejând proba de arderea pe care contactul direct cu plita ar cauza-o. Termometrul este fixat la distanță de sticlă, deoarece peretele eprubetei, încălzit din exterior, este mai fierbinte decât proba însăși; atingerea acestuia ar influența citirea în sens crescător. Iar întârzierea la care face referire protocolul este fizică pură: căldurii îi ia timp să acționeze prin apă și ceară până la bulbul termometrului.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

• Concentrare: densitatea și punctul de topire ca proprietăți care identifică o substanță și tehnica de măsurare atentă.
• Activități: cântăriți bucățile de parafină folosind funcția de tarare; măsurați-le volumul prin deplasare și calculați densitatea; efectuați experimentul de topire și citiți punctul de topire de pe grafic; comparați ambele rezultate cu valorile așteptate și sugerați motive pentru orice diferență.

Clasa a XI-a

• Concentrare: căldura latentă și interpretarea unei curbe temperatură-timp.
• Activități: Explicația platoului de topire în termeni de căldură latentă de topire: În timpul platoului de topire, energia termică furnizată nu crește temperatura substanței, ci este absorbită ca și căldură latentă de topire pentru a slăbi și rupe forțele intermoleculare, permițând trecerea de la starea solidă la cea lichidă. De ce termometrul nu trebuie să atingă eprubeta și de ce se folosește o baie de apă: Termometrul nu trebuie să atingă pereții eprubetei deoarece aceștia sunt în contact direct cu sursa de căldură și ar indica o temperatură mai ridicată decât cea a substanței. Baia de apă se folosește pentru a asigura o încălzire uniformă și treptată a întregii eprubete. Calculul densității: (Niciun date numerice nu au fost furnizate pentru a efectua calculul densității). Predicția formei curbei dacă s-ar folosi o masă dublă de parafină: Curba va prezenta același punct de topire (platou la aceeași temperatură), dar platoul va dura mai mult timp (se va întinde pe o durată dublă), deoarece este nevoie de o cantitate dublă de căldură latentă pentru a topi masa mai mare de parafină.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

• Concentrare: proprietăți intensive versus extensive și proiectarea măsurătorilor.
• Activități: clasificați fiecare mărime măsurată ca intensivă sau extensivă și justificați clasificarea; explicați de ce un solid plutitor anulează deplasarea naivă și cum ar trebui proiectată măsurătoarea într-un laborator real; explicați lățimea intervalului de topire a parafinei prin prisma compoziției sale de hidrocarburi amestecate; precizați densitatea cu cifrele semnificative corespunzătoare.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahare Berzelius (50 mL, 100 mL, 500 mL și 1000 mL)
• Cântar electronic
• Cilindre gradate (70 mL și 100 mL)
• Plită
• Stand și cleme de laborator
• Agitator magnetic
• Spatule
• Eprubete
• Termometre
• Cronometru
• Pensetă

Produse

• Parafină (bucăți)