晶体的熔化与凝固实验研究

晶体的熔化与凝固实验研究实验简述实验器材温度计（100℃）、烧杯（400~500ml)、试管、酒精灯、石棉网、支架、秒表、晶体（硫代硫酸钠，俗称海波）等实验方法本实验采用“水浴法”观察并测量海波在加热及冷却过程中的温度变化，从而绘制出海波的熔化和凝固曲线，并用曲线确定其熔点。、在试管内放入温度计和海波，海波约占试管左右。、在烧杯中倒入预先加热温度为40℃的热水，水量以能浸没试管中的海波为准。、按图1所示装置仪器，点燃酒精灯待海波的温度稳定上升43℃时开始记录，每隔20秒记录一次温度直至55℃为止。、将酒精灯盖灭撤去，使熔化的海波和烧杯中的水一起在空气中冷却，在降温的同时每隔一分钟记录一次温度的变化，读到40℃左右。、当海波开始熔化到全部熔化的过程中，要不断搅拌，尤其在其凝固过程中当看到有闪闪发光的海波晶体析出时更需不断搅拌直到海波全部凝固。、整理仪器用品，根据记录数据在方格坐标纸上绘图1制出海波的温度随时间变化的熔化和凝固的曲线，并从中确定海波的熔点。3、实验数据（1）、熔化T/℃4344.144.845.24646.346.947.247.847.948.1t/s0206080100120140160180200220T/℃48.148.248.14949.249.249.850.251.353.356t/s240260280300320340360380400420440、凝固T/℃55.854.954.553.953.252.952.55251.5t/s060120180240300360420480T/℃50.850.249.949.54948.24847.547t/s5406006607207808409009601020T/℃4747.54847.547.947.847.547.547.5t/s108011401200126013201380144015001560T/℃47.547.547.547.544.94341.8t/s1620168017401800186019201980（3）、硫代硫酸钠熔化和凝固曲线如图2所示图2实验现象分析熔化过程从硫代硫酸钠熔化曲线可以看出，在水浴加热过程中，晶体温度升高，晶体熔化过程继续加热但是晶体温度保持不变。凝固过程从硫代硫酸钠凝固曲线可以看出，在冷却过程中，晶体温度降低，晶体凝固过程持续放热，温度保持不变。误差分析测量硫代硫酸钠熔点为48.1℃，其标准熔点为48℃。原因分析如下：、由于误差较小，可能是温度计读数时视线没有与刻度线平齐，导致读数不准。、可能是实验过程中硫代硫酸钠样品中掺入了杂质，导致熔点升高。凝固过程曲线，在冷却过程中，温度下降后却在第一个47℃时出现升温现象。在过凝固点之后，曲线下降过快，原因是，在晶体凝固过程中没有搅拌充分，温度计测量温度时没有插入晶体中而是暴露在空气中，因此测得的是空气的温度而不是晶体的温度。原则上不能用温度计作为搅拌棒，但是在本实验中用温度计既作为搅拌棒又测量温度，造成了误差。理论上晶体的熔点和凝固点事同一温度可是本实验中凝固点比熔点略低，原因可能是水是热的不良导体，熔化时晶体在实验过程中熔化过程较快而凝固过程较慢，原因是海波晶体本身有五个结晶水，熔化过程中，晶体中的水蒸发导致熔化过程快，而凝固过程中，晶体中的水已经蒸发，所以会比熔化过程慢。指导学生做实验时应注意的事项正确使用酒精灯，熄灭酒精灯时不能用嘴吹灭而应用灯盖盖灭。烧杯加热时应用石棉网。水浴加热，温度计测量温度时不能接触容器壁，应该浸没在待测样品中，读数时视线应于刻度线平行，估读一位。搅拌时应用搅拌棒，使搅拌充分。实验时两位同学一组，一位同学读温度计的示数，一位同学记录并用秒表测量时间，同学相互配合完成实验。在烧杯中倒入预先加热温度为40℃的热水。海波的熔点时48℃，若起始水的温度过低，导致实验过程较长容易错过晶体的熔点导致实验失败，同时也会不必要的延长教学时间。试管中加入的样品要适量，因为如果样品过多，则水浴所需要的水就越多，则加热过程时间越长，会增加教学时间，而样品过少熔化过程太短。一般样品以20克，烧杯为500ml，为宜。指导学生熔化过程每隔20秒记录一次温度，而凝固过程每一分钟记录一次温度，因为实验中熔化过程较快而凝固过程较慢。一定要向学生强调当海波开始熔化到全部熔化的过程中要不断搅拌，尤其是在凝固过程中当看到有闪闪发光的海波结晶析出时更要不断搅拌直到海波全部凝固。当海波达到凝固点时停止搅拌，将温度计始终插入海波中，仍每一分钟记录一次温度，直到接近室温，最后温度计应埋在海波中。这是实验成功的关键晶体凝固需要有凝结核，因此在本实验中常出现过冷现象，即在冷却过程中晶体不发生凝固现象，这是因为海波凝固过程中缺少凝结核，所以当出现过冷现象时，可向海波样品中加入少量粉笔灰，这样海波温度会重新回到凝固点，实验可继续进行。应向学生强调:、海波的熔点与课本所列的48℃有些出入,这与当时实验的条件有关,如外界大气压等。、该实验已经能够验证晶体熔化时的基本特点,测出熔点与标准值有些出入不必过分强调。、不同晶体的熔点不同.本实验中存在的问题粉末状海波不易导热。海波的化学性质不稳定，导致海波纯度降低，导致熔点降低。因此实验中应选用新鲜的海波，因硫代硫酸钠有还原性和弱碱性，可与空气中的氧气和二氧化碳反应，所以应密封保存，避免因存放时间过长而引起硫代硫酸钠变质。可用如下方法检验硫代硫酸钠是否变质：取一克海波晶体放入试管中，加10ml水振荡成透明物体，则没有变质。在水浴烧杯中再放一支温度计，控制好海波和水的温差，温差太大是实验不成功的原因。海波熔化前，水和海波的温差应小于6℃.在海波熔化过程中，温差应控制在2℃左右，不能太大。实际海波可能会因为失去结晶水而温度降低，把水加热到45℃时就应该把温差控制在2℃左右。海波的导热性较差，导致海波受热不均匀。温度尚未达到熔点，管壁处已开始熔化，温度高于熔点后才熔化完，熔化过程中温度不断上升。海波的溶解热偏低，导致海波熔化过程太短，难以看到熔化时温度不变的现象实验加热时很难控制温度缓慢变化,会导致海波受热不均,使实验失败.7、由于水浴法不能保证烧杯中的水温比试管中的固态或液态海波只高出3℃左右,因此当试管中出现液态海波后,温度计的示数便不断上升,实验现象表现不出晶体熔化过程中吸热而温度保持不变特性;学生根据实验的数据描绘出的熔化图象与非晶体的熔化图象非常相似,给教师和学生的分析带来了困难.8、海波熔化到最后阶段当试管的底部还有少许海波未熔化时,温度计的示数不断上升.由于课堂教学时间有限,在这种情况下,只能结束实验.在我所做的实验中，,当温度达到64℃左右时,剩余的海波才全部熔化掉.对于少数海波不能在48℃时熔化的现象,教师又不便解释,只能说这是海波不纯的原因造成的,结果使学生的探究过程不能圆满,形成遗憾.六、实验改进1、实验过程中常由于海波熔化过快，实验读数实时性差,导致实验结果存在较大误差.针对这个情况,在教学中,若采用带温敏探头的DT9208型万用表代替温度计来做实验,将取得较好效果.将温敏探头放入试管中,再倒入海波,调整位置使探头处于海波的中间,将试管和万用表固定，如图3所示图3此实验有以下优点:(1)实验效果明显、操作易控..用万用表代替温度计,温敏探头反应快,示数能实时变化,所以对熔化过程的控制要求不高.(2)实验数据更为直观.用万用表代替温度计,用数字形式表现出来的温度比较直观、准确,带给学生的感性认识也十分丰富,引起学生从感性思维到理性思维的变化,更有利于激发学生思考.(3)学生的思维得以拓展.日常生活中,学生一直认为温度是用温度计来测量的,实验别出心裁的用万用表代替温度计来测量温度,一方面开拓了学生的视野,使学生认识到工具用途并不是一成不变的,只要适合,可以灵活运用;另一方面还达到了对学生的灵活性、发散性思维的训练.面对熟悉的实验方法,学生进行实验的热情不高;而采用全新的设计进行实验,也能使学生在整个过程中一直保持极高的热情.2、海波(硫代硫酸钠)的熔解实验往往达不到理想的效果,有时海波开始熔解了但温度计所指示的温度没有达到48℃,有时海波还没有完全熔解温度计的示数却开始上升.这可能是海波的导热性能造成的,因此可对该实验做如下改进：实验所用的器材和方法与课本上介绍的完全一样,只是在向试管内装入海波之前,将一团蓬松的细铁丝或铜丝先放到试管的底端.细铁丝可以在洗碗的钢丝球上分出一部分,将其拉到蓬松;或将导电的花线去皮后的细铜丝拧成蓬松的团.铁丝或铜丝放入试管底部的深度约4～5cm,再用角匙向试管内装入海波晶体,边装边摇动,让海波充实试管底端4～5cm.取与试管口相当的橡皮塞