Как найти температуру кристаллизации вещества

Лабораторная работа № 6

Тема: Наблюдение процесса кристаллизации (Определение температуры кристаллизации вещества) 

Цель работы: опытным путём определить температуру кристаллизации парафина, построить график её зависимости от времени.

Оборудование: пробирка с парафином, пробиркодержатель, лабораторный термометр 0-100°С, стакан с горячей водой 150 — 200 мл, часы.

Выполнение работы

1.  Подготовили таблицу для записи результатов измерений:

По экспериментальным данным построили график зависимости температуры t° от времени T.

По графику определили температуру кристаллизации парафина t⁰С=56⁰С.

Вывод: опытным путём определили температуру кристаллизации парафина, построили график её зависимости от времени. Температура кристаллизации парафина равна 56°С

Ответы на контрольные вопросы.

1. Какие вещества называются кристаллическими? Аморфными?  Приведите примеры.

Кристаллы — это твердые тела, молекулы (атомы) которых занимают упорядоченные положения в пространстве.

Примеры: графит, железо, свинец, медь, алмаз, рубин, сапфир.

Аморфные тела — это тела, обладающие как свойствами твердых тел, так и свойствами жидкостей.

Примерами аморфных тел могут служить стекло, различные затвердевшие смолы (янтарь), воск, смола, пластики и т.д.

2. Как по графику изменения температуры вещества при нагревании от времени определить температуру плавления кристаллического тела?

Кристаллическое вещество плавится при определенной температуре. Когда вещество начинает плавиться, его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока все вещество не расплавится) температура его не меняется. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас­ток графика, температура плавления соответствует горизонтальному участку графика.

3. Отметьте на графике участки, соответствующие:

а) жидкому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами АВ);

б) смеси парафина в жидком и твёрдом состояниях (обозначьте этот участок буквами  ВС);

в) твёрдому состоянию парафина (обозначьте этот участок буквами СD).

4. Объясните характер поведения молекул вещества на каждом участке состояния парафина.

Участок АВ: жидкое состояние парафина. Молеулы находятся близко друг к другу, но их относительные положения не фиксированы и они медленно меняют положение относительно друг друга.

Участок ВС: 

Участок СD: твердое состояние парафина. Молекулы и атомы сильно сцеплены друг с другом, подвижность частиц очень мала.

5. Чем отличаются графики зависимости температуры от времени кристаллических и аморфных тел?

У аморфных тел отсутствует определенная точка плавления, поэтому на грфике зависимости температуры от времени аморфных тел не будет горизонтального участка, соответствующего температуре плавления.

Лабораторная работа № 

Тема: Измерение температуры кристаллизации вещества..

Цель работы: измерить температуру кристаллизации вещеста при помощи графика.

Оборудование:

• пробирка с зеленым веществом;
• лабораторный термометр;
• стакан с горячей водой;
• наручные часы.

Содержание работы

В кристаллическом веществе атомы и молекулы образуют упорядоченную упаковку и совершают малые колебания около своих положений равновесия. По мере нагревания тела скорость колеблющихся частиц возрастает вместе с размахом колебаний. Увеличение скорости движения частиц с возрастанием температуры составляет один из основных законов природы, который относится к веществу в любом состоянии — твердом, жидком или газообразном.

При определенной температуре колебания становятся столь энергичными, что упорядоченное расположение частиц становится невозможным — кристалл плавится. С началом плавления подводимое тепло идет уже не на увеличение скорости частиц, а на разрушение кристаллической решетки. Поэтому подъем температуры приостанавливается. Последующее нагревание — это увеличение скорости частиц жидкости.

В случае кристаллизации из расплава вышеописанные явления наблюдаются в обратном порядке: по мере охлаждения жидкости ее частицы замедляют свое хаотическое движение; с понижением температуры до определенного значения, частицы движутся уже столь медленно, что некоторые из них под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура останется постоянной. Эта температура, как правило, та же, что и температура плавления.

После того, как все вещество перейдет в твердое состояние, температура опять начинает понижаться, что соответствует процессу охлаждения твердого тела.
Таким образом, температуру кристаллизации вещества можно определить, построив график зависимости температуры от времени. Из изложенного выше следует, что этот график будет иметь характерный участок в виде отрезка, параллельного оси времени. Температура, соответствующая этому участку, и будет температурой кристаллизации данного вещества.

Указания к работе

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений:

2. Опустите пробирку с исследуемым веществом в присутствии учителя в сосуд с водой при температуре 70 — 80°С и наблюдайте за тем, как вещество плавится.

3. После того, как все вещество расплавится, перенесите пробирку в стакан, куда налито около 150 мл горячей воды, и поместите в расплавленное вещество термометр.

4. С момента, когда температура вещества начнет понижаться, записывайте показания термометра с интервалом в 1 минуту.

5. Продолжая записывать показания термометра, пронаблюдайте этап перехода вещества в твердое состояние.

6. При охлаждении до 45°С прекратите измерения. По полученным данным постройте график зависимости температуры от времени.

7. По графику определите температуру кристаллизации вещества и время, в течение которого продолжалась кристаллизация вещества.

Контрольные вопросы.

1. Чем отличаются графики зависимости температуры от времени при отвердевании кристаллических и аморфных веществ?
2. Как по графику изменения температуры вещества при нагревании от времени определить температуру плавления кристаллического тела?

Дополнительное задание.

1. Налейте в сосуд около 400 мл горячей воды и погрузите в нее пробирку с затвердевшим кристаллическим веществом, куда ранее был вплавлен термометр.

2. Записывая показания термометра с интервалом в 1 минуту, пронаблюдайте за изменением состояния вещества при его нагревании до 70 °С.

3. По данным измерений постройте график зависимости температуры вещества от времени и определите по нему температуру плавления.

4. Сопоставьте полученные значения температур плавления и кристаллизации вещества.

Плавление и кристаллизация.

Плавлением
кристаллического тела называется
процесс превращения его из твердого
состояния в жидкое. Кристаллизацией
называется процесс, обратный процессу
плавления.

Расплавить
кусок кристаллического тела можно,
постепенно нагревая его. График этого
процесса, изображенный на рис.3,
имеет три участка. На участке ab
температуре кристаллического тела
плавно возрастает, что соответствует
обычному нагреву твердого тела. По
достижении определенной температуры
,
называемой температурой
плавления,
рост температуры прекращается
(изотермический участок bc)
до тех пор, пока все вещество не превратится
в жидкость. Вещество в этом состоянии
нельзя н
азвать
ни жидкостью, ни твердым телом: в сосуде
находятся одновременно обе фазы –
твердая и жидкая. Этот участок кривой
соответствует процессу плавления. Рост
температуры возобновится (участок cd)
сразу после того, как будет расплавлен
последний кристаллик вещества. Этот
участок кривой соответствует обычному
нагреву жидкости.

Как
объяснить наблюдаемый факт? Почему на
участке bc,
несмотря на непрерывающийся приток
тепла из вне, температура системы
остается постоянной? Дело в том, что
частицы кристаллической решетки обладают
только энергией колебательного движения,
в то время как частицы жидкости обладают
еще и энергией поступательного движения.
Иными словами, частицы жидкости обладают
большей энергией, чем частицы
кристаллической решетки. Следовательно,
для того, чтобы полностью расплавить
кусок кристаллического тела, необходимо
его частицам сообщить некоторое
количество энергии
,
равное энергии поступательно движения
частиц жидкости. Сделать это можно,
нагревая это кристаллическое тело.
Поэтому в период плавления частицы еще
не расплавленного кристалла преобразуют
получаемую ими из вне тепловую энергию
в энергию
поступательно движения.
В результате чего температура всей
системы остается постоянной. После же
того, как все вещество будет расплавлено,
поступающее в систему тепло будет
затрачиваться на увеличение кинетической
энергии частиц расплавленного вещества,
т.е. на увеличение скорости их
поступательного движения – температура
вновь начнет возрастать (участок cd).

Кривая
кристаллизации так же имеет изотермический
участок fg,
соответствующий процессу кристаллизации.
Для того, чтобы жидкость перевести в
кристаллическое состояние, необходимо,
чтобы её частицы потеряли определенную
долю своей энергии, равную. Энергии их
поступательно движения, «оставив при
себе» только энергию колебательного
движения. Именно эта доля, равная энергии
поступательного движения частиц
жидкости, и выделяется в виде теплоты
в период кристаллизации, компенсируя
отток тепла из системы и поддерживая
температуру всей системы постоянной.
После полной кристаллизации вещества
дальнейший отток из системы тепла
приведет к дальнейшему понижению
температуры уже кристаллического тела.
Проявляется это в уменьшении амплитуды
колебательного движения частиц в узлах
кристаллической решетки.

Ядра кристаллизации, образование переохлажденной и перегретой жидкостей.

Теоретически
температуры плавления и кристаллизации
жидкостей должны совпадать по своей
величине. Однако, так происходит далеко
не всегда. Обычно температура кристаллизации
несколько (а иногда и значительно) ниже
температуры плавления. Объясняется это
следующим образом. Процесс кристаллизации
жидкости всегда начинается на некоторых
неоднородностях в объеме жидкости,
которые называются центрами
или ядрами
кристаллизации.
Ядрами кристаллизации могут служить
различные неоднородные включения
(обычно пыль). При наличии большого числа
таких ядер (загрязненное вещество)
процесс кристаллизации протекает очень
легко и температура кристаллизации
действительно совпадает с температурой
плавления. В совершенно чистом веществе,
свободном от инородных включений, ядрами
кристаллизации начинают служить молекулы
уплотнения, представляющие собой
случайные увеличения концентрации
молекул жидкости (плотности жидкости)
по всему объему жидкости. Однако, такие
случайные (флуктуационные) образования
неспособны существовать слишком долго.
При температуре жидкости выше или равной
температуре плавления, эти молекулярные
уплотнения настолько быстро распадаются,
что кристаллические зародыши не успевают
появиться на них и кристаллизация не
происходит. Это обстоятельство в
значительной мере затрудняет процесс
кристаллизации жидкости, но не блокирует
его вовсе. При дальнейшем понижении
температуры жидкости время жизни
молекулярных уплотнений возрастает и
становится вполне достаточным для
образования на них мельчайших кристалликов
вещества, дальнейший рост которых
приводит к полной кристаллизации всей
жидкости. Происходит это при температуре,
ниже температуры плавления. Такие
жидкости называют переохлажденными.
Значительно ускорить процесс кристаллизации
можно некоторым встряхиванием сосуда
с переохлажденной жидкостью (при этом
возрастает число молекулярных уплотнений)
или введением в жидкость кристаллика
такого же вещества. Таким образом
температура кристаллизации одного и
того же вещества не является величиной
постоянной и зависит от степени
загрязненности исследуемого вещества.

Возможен
и несколько иной механизм переохлаждения
жидкостей. В том случае, если температуру
понижать очень быстро, то ее частицы не
будут успевать терять необходимую долю
своей энергии, приходящейся на их
поступательной движение, и следовательно,
не смогут образовать кристаллической
решетки. Тем не менее, дальнейшее и
быстрое понижение температуры приводит
к увеличению вязкости такой жидкости,
что затрудняет поступательной движение
ее частиц. Вещество затвердевает, не
образуя при этом кристаллической
решетки. Такие вещества называют так
же переохлажденными
жидкостями
или стеклообразными
веществами. Очень часто их относят к
разряду аморфных тел, несмотря на то,
что механизм образования последних,
вообще говоря, несколько отличен от
механизма образования стеклообразных
веществ. Практика причисления последних
к аморфным телам объясняется тем, что
переохлажденная жидкость достаточно
долгое время после ее образования
проявляет свойства аморфных тел, но
процесс образования кристаллов в ней,
в отличии от поистине аморфных тел,
все-таки происходит (хотя и очень
медленно) и с течением времени
стеклообразное тело все же превращается
в кристаллическое.

Возможен и вариант
образования перегретой жидкости.
Механизм такого процесса аналогичен
механизму образования стеклообразных
веществ.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

«Плавление и кристаллизация.
Удельная теплота плавления»

Плавление

Плавление — это процесс превращения вещества из твёрдого состояния в жидкое.

Наблюдения показывают, что если измельчённый лёд, имеющий, например, температуру –10 °С, оставить в тёплой комнате, то его температура будет повышаться. При 0 °С лёд начнет таять, а температура при этом не будет изменяться до тех пор, пока весь лёд не превратится в жидкость. После этого температура образовавшейся изо льда воды будет повышаться.

Это означает, что кристаллические тела, к которым относится и лед, плавятся при определённой температуре, которую называют температурой плавления. Важно, что во время процесса плавления температура кристаллического вещества и образовавшейся в процессе его плавления жидкости остаётся неизменной.

В описанном выше опыте лёд получал некоторое количество теплоты, его внутренняя энергия увеличивалась за счёт увеличения средней кинетической энергии движения молекул. Затем лёд плавился, его температура при этом не менялась, хотя лёд получал некоторое количество теплоты. Следовательно, его внутренняя энергия увеличивалась, но не за счёт кинетической, а за счёт потенциальной энергии взаимодействия молекул. Получаемая извне энергия расходуется на разрушение кристаллической решетки. Подобным образом происходит плавление любого кристаллического тела.

Аморфные тела не имеют определённой температуры плавления. При повышении температуры они постепенно размягчаются, пока не превратятся в жидкость.

Кристаллизация

Кристаллизация — это процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние. Охлаждаясь, жидкость будет отдавать некоторое количество теплоты окружающему воздуху. При этом будет уменьшаться её внутренняя энергия за счёт уменьшения средней кинетической энергии его молекул. При определённой температуре начнётся процесс кристаллизации, во время этого процесса температура вещества не будет изменяться, пока всё вещество не перейдет в твёрдое состояние. Этот переход сопровождается выделением определённого количества теплоты и соответственно уменьшением внутренней энергии вещества за счёт уменьшения потенциальной энергии взаимодействия его молекул.

Таким образом, переход вещества из жидкого состояния в твёрдое состояние происходит при определённой температуре, называемой температурой кристаллизации. Эта температура остаётся неизменной в течение всего процесса плавления. Она равна температуре плавления этого вещества.

На рисунке приведён график зависимости температуры твёрдого кристаллического вещества от времени в процессе его нагревания от комнатной температуры до температуры плавления, плавления, нагревания вещества в жидком состоянии, охлаждения жидкого вещества, кристаллизации и последующего охлаждения вещества в твёрдом состоянии.

Удельная теплота плавления

Различные кристаллические вещества имеют разное строение. Соответственно, для того, чтобы разрушить кристаллическую решётку твёрдого тела при температуре его плавления, необходимо ему сообщить разное количество теплоты.

Удельная теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг кристаллического вещества, чтобы превратить его в жидкость при температуре плавления. Опыт показывает, что удельная теплота плавления равна удельной теплоте кристаллизации.

Удельная теплота плавления обозначается буквой λ. Единица удельной теплоты плавления — [λ] = 1 Дж/кг.

Значения удельной теплоты плавления кристаллических веществ приведены в таблице. Удельная теплота плавления алюминия 3,9*10⁵ Дж/кг. Это означает, что для плавления 1 кг алюминия при температуре плавления необходимо затратить количество теплоты 3,9*10⁵ Дж. Этому же значению равно увеличение внутренней энергии 1 кг алюминия.

Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для плавления вещества массой m, взятого при температуре плавления, следует удельную теплоту плавления λ умножить на массу вещества: Q = λm.

Эта же формула используется при вычислении количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации жидкости.

Конспект урока «Плавление и кристаллизация. Удельная теплота плавления».

Следующая тема: «Тепловые машины. ДВС. Удельная теплота сгорания топлива».