Krzywe punktów topnienia i krzepnięcia czystych substancji

Transkrypt

1 Temperatura ogrzewanej lub ochładzanej czystej substancji, w pewnych momentach się nie rośnie ani nie maleje, zjawisko to zachodzi, gdy substancja zmienia stan skupienia. Zamiast tego, pomimo dostarczania lub odprowadzania ciepła, temperatura pozostaje stała, aż do zakończenia przemiany fazowej. W niniejszym eksperymencie przedstawiono dwa przykłady tego problemu. Materiały 1 Cobra4 Wireless Manager Cobra4 Wireless-Link Moduł pomiarowy Cobra4 Chemia Oprogramowanie Cobra4 licencja szkolna Uchwyt dla Cobra4 z prętem statywu Sonda zanurzeniowa NiCr-Ni, stal, C Statyw retorty h = 500 mm, 210 mm 130 mm Zacisk kątowy Zacisk uniwersalny Płyta ochronna CERAN, 155 x 155 mm Uchwyt do płyty ochronnej CERAN Zlewka DURAN, krótka, 250 ml Zlewka DURAN, krótka, 600 ml Łyżka do proszku, stal, l = 180 mm Palnik Teclu, DIN, gaz Bezpieczna rurka gazowa, DVGW Obejma do rury o średnicy mm Zapalniczka do gazu Porcelanka, 200 g Probówka, 180 x 18 mm, 100 szt Szklany pręt, boro 3,3, l = 200 mm, d = 5 mm naftalen, biały, 250 g Woda Lód Dodatkowe materiały 1 Komputer PC z portem USB, Windows XP lub nowszy Naftalen jest szkodliwy po połknięciu. Może powodować nowotwory. Ponadto bardzo toksyczny dla organizmów wodnych i może powodować długoterminowe, szkodliwe skutki w zbiornikach wody. Rys. 1 Przygotowanie doświadczenia do badania krzywej grzania i chłodzenia naftalenu 1

2 Uwagi Naftalen (s) R: /53 S: 36/ Naftalen tworzy bezbarwne kryształy, łatwo rozpuszczalne w większości rozpuszczalników organicznych. Może sublimować i pali się jasnym i bardzo dymiącym płonieniem. Zagrożenia: Działa szkodliwie po połknięciu. Może powodować nowotwory. Bardzo toksyczny dla organizmów wodnych, szkodliwe, powoduje długotrwałe, szkodliwe skutki dla zbiorników wodnych. Środki ostrożności: Unikać kontaktu ze skórą i oczami, założyć odzież ochronną, rękawice i okulary ochronne. W razie połknięcia niezwłocznie zasięgnąć porady lekarza, pokazując mu opakowanie lub etykietę. Wyrzucaj naftalen do pojemnika za odpady niebezpieczne. Nie uwalniaj do środowiska. Zapytaj o specjalne instrukcje w karcie bezpieczeństwa. Pierwsza pomoc: W razie połknięcia niezwłocznie zasięgnąć porady lekarza i pokazać opakowanie lub etykietę. Utylizacja: Zbieraj łatwopalne, wolne od halogenów organiczne rozpuszczalniki do specjalnie oznakowanych pojemników. Przygotowanie doświadczenia Podłącz czujnik Cobra4 Chemia do Cobra4 Wireless -Link, a następnie zamocuj go za pomocą uchwytu na pręcie statywu (patrz Rysunek 1). Podłącz elektrodę ph do czujnika Chemia. Uruchom komputer i system operacyjny Windows. Podłącz Wireless Manager Cobra4 do gniazda USB. Rys. 2: Przygotowanie doświadczenia - zapisu krzywej podgrzewania lodu 2

3 Uruchom pakiet oprogramowania measure na PC. Włącz Wireless Link. Czujnik zostanie wykryty automatycznie i połączy się z programem (Nawigator), uzyskując numer identyfikacyjny (01) - można go zobaczyć na wyświetlaczu Cobra4 Wireless- Link. Komunikacja między Cobra4 Wireless Manager i Cobra4 Wireless - Link jest sygnalizowana diodą Data LED. Załaduj doświadczenie Krzywe topnienia i krzepnięcia czystych substancji (Eksperyment > Otwórz eksperyment). Wszystkie ustawienia niezbędne do zapisu wartości pomiarowych zostaną załadowane. 1. Krzywa topnienia i krzepnięcia naftalenu: Przygotowanie i wykonanie doświadczenia Przygotuj eksperyment zgodnie z Rysunkiem 1. Wypełnij zlewkę o pojemności 600 ml 200 ml wody i dodać kilka porcelanek (kamieni wrzenia). Umieść około 2 ml naftalenu w jednej z probówek. Umieść w statywie czujnik temperatury oraz tę probówkę tak, aby sonda była całkowicie otoczona naftalenem. Za pomocą zacisku uniwersalnego umieść probówkę w łaźni wodnej. Lekko ogrzewaj wodę palnikiem. Kliknij na ikonę w menu, aby rozpocząć pomiary. Gdy zostanie osiągnięta temperatura około 90 C, zatrzymaj pomiary klikając na. Przenieś wartości pomiarowe do measure. Kliknij na menu Plik i Zapisz pomiar, aby zapisać dane pomiarowe dla wszystkich pomiarów do dalszej analizy. Zdejmij łaźnię wodną i kliknij, aby zarejestrować krzywą chłodzenia naftalenu. Gdy temperatura osiągnie wartość około 50 C, zatrzymaj pomiar klikając na w pasku ikon. Przenieś wartości pomiarowe do measure. Kliknij na menu Plik i Zapisz pomiar, aby zapisać dane pomiarowe dla wszystkich pomiarów do dalszej analizy. 2. Krzywa ogrzewania lodu/wody Przygotowanie i wykonanie doświadczenia Przygotuj eksperyment zgodnie z Rysunkiem 2. Umieścić w 250 ml zlewce lód rozdrobniony tak bardzo, jak to jest możliwe i dodaje niewielką ilość wody. Zamontuj w mieszaninie lód/woda czujnik temperatury w taki sposób, aby uzyskał wystarczający kontakt z cieczą. Dodatkowo dodaj kilka porcelanek. Lekko ogrzewaj mieszaninę za pomocą palnika, delikatnie mieszając ją bagietką szklaną. Kliknij na ikonę, aby rozpocząć pomiary. Gdy woda wyraźnie zaczyna wrzeć, zatrzymaj pomiar klikając na w pasku narzędzi. Przenieś wartości pomiarowe do measure. Kliknij na menu Plik i Zapisz pomiar, aby zapisać dane pomiarowe dla wszystkich pomiarów do dalszej analizy. 3

4 Wyniki Krzywe zmian temperatury zarejestrowane podczas ogrzewania i podczas chłodzenia nie są nachylone równomiernie w górę lub w dół. Zamiast tego, wykresy pokazują 3 do 5 elementów, dla których temperatura była stała przez pewien czas. Analiza wyników Temperatura topnienia naftalenu Spójrz na Rysunek 3 pokazujący, że istnieją dwa fragmenty, w których temperatura prawie się nie zmienia. Na początku, temperatura nie wzrasta od około 23 C mimo, że woda jest ogrzewana. Jest to spowodowane tym, że ciepło dostarczone przez palnik musi być najpierw zostać doprowadzone do wnętrza probówki, a to zajmuje trochę czasu. W wyniku tego dochodzi do wzrostu temperatury do około 80 C. Podczas zapisu pomiarów można było zaobserwować, że naftalen zaczyna się topić w tej temperaturze. Temperatura pozostaje stała podczas całego procesu topienia. Następnie zwiększa się ponownie w probówce, gdy cały naftalen się stopił. Proces ten można analizować, następująco, na poziomie molekularnym: dostarczanie energii zwiększa amplitudę drgań cząstek w sieci krystalicznej (stałego) naftalenu. Wyższa temperatura oznacza silniejsze oscylacje cząstek wokół ich położenia równowagi, to znaczy dostarczana energia dostarczana przekształca się w energię kinetyczną. Jednak, w pewnej temperaturze, drgania są tak silne, że cząstki opuszczają strukturę krystaliczną, czyli kryształy rozkładają się i zaczynają się topić. Temperaturę, przy której występuje to zjawisko, jest nazywamy punktem topnienia. W czasie procesu topienia cała, dostarczona energia służy teraz do oddzielania pojedynczych cząstek ze struktury krystalicznej. Dlatego, podczas tego procesu, temperatura pozostaje stała (patrz Rysunek 3, poziomy przebieg krzywej w temperaturze 80 C). Dalsze dostarczanie energii, z kolei, prowadzi do wzrostu temperatury - gdy wszystkie cząstki opuściły już siatkę krystaliczną, tzn. gdy siatka krystaliczna całkowicie się rozpadła. Uwaga: widoczne spłaszczenie wykresu w temperaturze 95 C na Rysunku 3, wynika z tego, że woda osiągnęła temperaturę bliską temperatury wrzenia i przekazywanie energii z wody do naftalenu znacznie zwolniło. Rys. 3: Krzywa topnienia naftalenu 4

5 Temperatura krzepnięcia naftalenu Proces krzepnięcia jest analogiczny do procesu topienia (ale na odwrotny). Podczas chłodzenia cieczy, amplitudy drgań poszczególnych cząstek zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury (patrz Rysunek 4, część 1). Dzięki temu możliwe jest, że temperatura stopionej substancji zmniejszy się poniżej temperatury krzepnięcia (bez krzepnięcia) zamieniając się w tzw. ciecz przechłodzoną. Następnie spontaniczna krystalizacja podnosi temperaturę z powrotem do temperatury topnienia substancji (Rysunek 4, część 2), przy czym cząstki ponownie łączą się w strukturze krystalicznej. Ciepło, konieczne do stopienia substancji zostaje teraz oddane do otoczenia, jako ciepła topnienia. Przeciwdziała to dalszemu procesowi chłodzenia, co prowadzi do utrzymania, podczas tego procesu, stałej temperatury (Rysunek 4, część 3). Uwalniana w procesie krzepnięcia ilość ciepła jest dokładnie taka sama jak ilość, która trzeba było dostarczyć, aby ciało stopić. Po zakończeniu procesu krzepnięcia, dalsze uwalnianie ciepła do otoczenia prowadzi do obniżenia temperatury (Rysunek 4, część 4). Topnienie lodu i parowanie wody Proces topienia wody (patrz Rysunek 5, poziomy przebieg krzywej w temperaturze 0 C), odpowiada zasadniczo do procesowi topnienia naftalenu (patrz wyżej). Rys. 4: Krzywa krzepnięcia naftalenu 5

6 Proces wrzenia wody nie różni się zasadniczo od procesu topnienia. Również tutaj odbywa się jedynie przejście z jednego stanu skupienia do drugiego. Zwiększanie się energii kinetycznej poszczególnych cząsteczek, wynikające z dostarczania ciepła z zewnątrz, jest tak duże, że są one zdolne do uwolnienia się od sił wiążących w cieczy i przechodzą do fazy gazowej, gdzie każda z nich może poruszać się niezależnie od innych. Podczas procesu wrzenia całość dostarczanej energii jest zużywana jako ciepło parowania podczas wrzenia tak, że temperatura utrzymuje się na stałym poziomie (patrz Rysunek 5, poziomy przebieg krzywej w temperaturze 100 C). Uwagi Na ogół, dane krzywej chłodzenia są łatwiejsze do zarejestrowania niż w przypadku krzywej ogrzewania ponieważ, w tym przypadku niejednorodny rozkładu temperatury w fazie ciekłej zawsze prowadzi do większych wahań jej pomiaru. Rys. 5: Krzywa ogrzewania lodu/wody Odchylenia uzyskanych pomiarów wartości temperatur od wartości z literatury są spowodowane głównie przez użycie termopary NiCr-Ni. Mogą one wskazywać wyższą lub niższą temperaturę niż rzeczywista, co wynika procesu ich produkcji. Zatem, takie sondy powinna być wstępnie skalibrowane za pomocą innych urządzeń do pomiaru temperatury, takich jak termometr laboratoryjny, który wykazuje temperaturę dokładnie. Ten eksperyment może być również przeprowadzane przy użyciu Czujnika temperatury Cobra4-2 x NiCr-Ni (Numer artykułu ). 6