海波的溶化和凝固实验初探，本文主要内容关键词为：海波论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在以往的中学物理教材中，总是用萘来做晶体的熔化和凝固实验。八十年代，我国的中学物理教师曾详细地研究了萘实验的课堂演示方法和学生实验的成功要点，取得了大量的宝贵经验。使得该实验已成为较为成熟的中学物理实验。然而，近几年来由于考虑了萘对人体可能产生的不良影响，国家不允许在中学物理教学中使用萘，现在的新版教材大都代之以海波。由于海波并非广大的中学物理教师所熟悉，其物理性质和萘相比有较大的差异，在实际教学中会遇到许多问题。本文就实验中观察到的一些现象进行讨论并寻找一些解决方法。
【实验一】
1.实验目的：观察海波的熔化和凝固现象，发现问题。
2.实验器材：铁架台1套、400毫升烧杯1只、直径4.8厘米试管1只、粉末状海波30克（十水硫代硫酸钠，照相馆用）、煤油温度计2支、300瓦小电炉1只、石棉网1个、水若干、自制铁丝搅拦器1个。
3.实验方法：水浴加热法，一支温度计的液泡放在试管内的侧壁下部，处于海波晶体中但又不接触玻璃壁，另一支温度计测水温，温差控制在3℃左右，不搅拌海波。
4.温度-时间曲线如图1所示。
5.对图1的表述：
①AB段为固态的海波吸热温度升高，从44℃起海波晶体就给人一种潮湿状的感觉，AB段计时6分钟：
②BC段为海波熔化过程，固态海波逐渐减少，液态海波逐渐增多，温度虽然基本不变但有缓慢上升的迹象，BC段温度的平均值为46.9℃，BC段计时16分钟；
③CD段为液态的海波吸热温度升高，此段的海波应该全部是液态的，但实际上总有少量固态物质存在，至53.8℃时方全部变为液态，而且温度上升的速率不一致；
④D点以后，将试管底部浸入8℃的冷水中（水面高于海波面）降温，海波由55.0℃降到40.0℃仅用了一分钟，但仍然全部是液态，这就是过冷却现象；
⑤EF段，向处于过冷却状态的海波液体中丢入少量海波晶体作凝结核，海波的温度迅速从40.0℃上升到47.0℃，放出大量的热，同时开始凝固；
⑥FG段为液态海波凝固过程，液态海波逐渐减少，固态海波逐渐增多，温度变化不大FG段温度的平均值为46.5℃，FG段计时6分钟；
⑦GH段应该是固态的海波放热，温度下降，但实际上在温度从46.0℃快速下降到43.8℃之间，仍有少量液态物质存在；
⑧实验全程的大部分时间，试管内海波上方的玻璃壁上总附着一些小水珠，影响观察海波的温度；
6.要解决的问题：
①实验一用了45分钟时间，所需时间过长，怎样才能将全部实验时间控制在20分钟左右？
②BC段、FG段不理想，从理论上讲这两段的温度应保持不变，而实验中的温度却不稳定，怎样解决这个问题？
③CD段很不理想，总存在少量固态物质，该固态物质是什么？怎样才能做到使之不含固态物质？GH段很不理想，总存在少量液态物质，该液态物质是什么？怎样才能做到使之不含液态物质？
④怎样才能解决过冷却现象
⑤实验记录开始(44.0℃)时，海波晶体就给人一种潮湿状感觉的原因是什么？试管内壁上方附着的小水珠是否是海波丢失的结晶水？
7.实验设想：
能否通过实验，研究试管的直径、海波的质量、水与海波的温差、测量海波温度的温度计液泡的位置、海波晶体的颗粒大小、是否搅拌海波、试管口是否密封、结晶核种类五水硫代硫酸钠和十水硫代硫酸钠，从而找到解决方法。
【实验二】
1.实验目的：主要观察测量海波温度的温度计液泡放在什么位置较好，同时研究实验设想中的其它问题。
2.实验器材：同实验一基本相同，增加一只直径4.8厘米的试管和一支煤油温度计，两只试管中各装20克粉末状五水硫代硫酸钠（分析纯）。
3.操作特点：两只试管同时浸入水中，试管一的海波中的温度计液泡靠近侧壁但不接触玻璃壁，试管二的海波中的温度计液泡处于试管底部中央但不接触玻璃壁，温差控制在4℃左右。
4.温度-时间曲线如图2所示。
5.实验分析：
①从图2可以看出，两条曲线的变化是非常相似的，特别是在第28分钟。0～28分钟我们未对海波进行搅拌，当两只试管中的海波多数已经熔化，温度几乎同时上升时，我们于第28分钟对它们同时进行搅拌，海波的温度又同时下降，然后再上升。这说明海波晶体的导热能力是很差的，搅拌只能使试管内各个海波晶粒表面的温度均匀一些，但不能使同一晶粒的表面和内部温度均匀。该图也反映出温度计液泡处于侧壁和底部中央并无多大区别，处于底部中央还略为好一些，因为它的曲线在反映熔化过程时较为平直。
②比较图1与图2，晶体吸热温度升高的曲线，发现图2比图1的斜率小，在海波质量由30克减少到20克、温差由3℃提高到4℃的情况下，斜率反而变小，这说明五水硫代硫酸钠比十水硫代硫酸钠的导热能力更差，可见该实验使用十水硫代硫酸钠可能要好一些。
③图二的这两条曲线总保持一定的温差，即使是处于液态吸热升温过程时也是这样。这说明试管侧壁和底部中央的海波温度不会有太大差别，这两条曲线的温差是温度计的差别造成的。
【实验三】
1.实验目的：主要观察将试管口密封及将海波晶体研磨更细后的实验效果。
2.实验器材：与实验一基本相同，不同之处是使用做实验用过的、已凝成块状的海波（五水硫代硫酸钠），将其研磨成更细的粉末，取其中的20克。
3.操作特点：试管口用泡沫塑料密封、温度计液泡插在试管底部中央、温差为3℃当海波开始熔化时才进行搅拌。
4.温度-时间曲线如图3所示。
5.实验分析：
①从T-t图可以看出“曲线形状”是较为满意的，这说明将试管口密封、将海波晶体研磨得更细、温差控制在3℃左右、适当搅拌等措施是有效的，也说明海波可以重复使用。
②熔化过程用了19分钟，还是太长，应减少海波质量。
【实验四】
1.实验目的：主要研究海波质量及“温差”以多少为好，同时观察滴冷水对液态海波的凝固有无作用。
2.实验器材：与实验一基本相似，但换用直径1.0厘米的小试管，内装粉末状海波5克。
3.操作特点：温度计液泡放在试管内侧壁下方，不接触玻璃壁、温差控制在4℃、当海波熔化时才进行搅拌。
4.温度-时间曲线如图4。
5.实验分析：
①从图中可以看出，海波从43.8℃升至55℃用了15分钟，从教学时间来考虑还是满意的，但熔化过程的温度保持的不好，这与温差偏大有一定的关系，应根据前几个实验进行修正。
②当液态海波的温度已经降至20℃时（过冷却），向其中滴入几滴8℃的冷水，发现并不能促使液态海波凝固。
【实验五】
1.实验目的：根据实验四对实验方法进行修正，以观察效果。
2.实验器材：与实验四相同。
3.操作特点：温度计液泡的位置与实验四相同，温差控制在3℃、从44℃就开始搅拌海波、在液态海波的温度降到48℃时丢入70mg粉末状海波晶体作凝结核，并不停地搅拌。
4.温度-时间曲线如图5所示。
5.实验分析：
①该曲线能大致反映出晶体的熔化和凝固规律；
②在液态海波温度降至凝固点之前，丢入粉末状海波晶体作凝结核能简单地解决过冷却问题，至45.2℃时，海波完全凝固；
③全部实验用了22分钟，所用时间较为满意。
【实验六】
1.实验目的：探索实验中的其它问题。
2.四个实验的结果：
①当液态海波降温时，丢入一定量的粉笔灰作凝结核，发现其效果并不理想，混合物呈混浊的粥状，并不能很快凝固；
②将装有液态海波的试管浸入8℃的冷水中，经过15.5分钟，海波温度由51.5℃降到10.0℃，仍保持液态，其中于34℃时，液体中出现少量针状结晶。当丢入几粒海波晶体时液态海波迅速凝固，由10.0℃急剧升到31.5℃。
③取两只直径为2.73厘米的试管，各装5克粉末状海波晶体（五水硫代硫酸钠），试管口不密封，水浴加热使其熔化，再待其凝固，经测量发现这两只试管中海波的质量都净增50毫克，即质量增加1%。我们测量质量的目的原本是测量海波在这样的实验中丢失多少结晶水，没想到实验后其质量反而增加，不知是什么原因？通过查阅化工资料，发现海波晶体在100℃时才丢失结晶水，那么，实验时试管内壁上的小水珠是哪来的？
④取30克海波晶体，当海波温度升到49℃时（即超过了海波的熔点），由于未加搅拌已经熔化的液态海波在上部，少量未熔化的固态物质在下部。将上部的液态海波取出，待其自然凝固后，再将它研磨成粉末，取其中的20克再做这个实验，发现这些海波在49℃时并不能完全熔化，直至温度升高到52.5℃时才熔化完。可见，我们每次实验，当海波呈现出液体吸热温度升高的状态时，总含有少量固态物质并非它物，它仍然是海波晶体。
综合以上实验可知，如果用课本上介绍的实验装置来做海波的熔化和凝固实验，可以注意以下几点：(1)选择直径为2.7厘米或者更细的试管；(2)海波的质量应该在5～10克之间；(3)水与海波的温差应该控制在3℃左右(2.5～3.5℃)；(4)要将海波晶体研磨成粉末状；(5)测量海波温度的温度计液泡应该处于试管底部中央的海波中，但不接触试管底部；(6)在海波晶体的温度升到44℃的时候就要进行搅拌；(7)在液态海波的温度降至48℃（海波的凝固点）之前一点，如：49℃时，就要丢入海波粉末作凝结核，并需要加以搅拌，用粉笔灰作凝结核的效果很不好；(8)十水硫代硫酸钠即照相馆所用的海波，其导热能力比实验室所用的分析纯五水硫酸钠要好一些，效果也要好一些；(9)将试管口密封对实验也有积极的作用，但要尽量不影响观察温度计。
使人感到遗憾的是即使我们做到了这几条要求，也仅仅能从T-t图上看出一些晶体的熔化和凝固规律，还存在着许多问题没能解决，其中有：①当海波已经呈现出液体吸热温度升高的状态时，仍然有少量的海波晶体存在，直到51℃以上时才全部是液体，这无法跟学生解释。这时少量海波晶体存在的原因可能是海波的导热能力太差，当大部分海波已经呈液态而吸热升温时，这少量的海波晶体来不及熔化；②该实验若作为学生实验，准备工作和学生操作都相当不容易，若作为教师的演示实验，5～10克海波的可视范围又太小。针对这两点，我们对实验做如下改进：如图7所示，将试管换成一只U型玻璃管（管口直径为1.2厘米，高15厘米，左右管的距离为3厘米），用铁丝做成一个小圆圈（图），罩上纱布（从口罩上取得），安装在左管内的下方。取20克海波晶体（分析纯），不必磨成粉末，直接倒入左管中。将一支水银温度计c的液泡插至海波底部中央并接触到纱布，在重力的作用下，纱布中央向下凸出。在右管底部也插入一支水银温度计d，用来测量液态海波的温度。将烧杯也相应换成较大的，要能装入U型玻璃管，用另一支水银温度计测量水温。整个实验过程无需搅拌，只要控制水与海波的温差，进行记录即可。实验记录的温度-时间曲线如图6所示，海波晶体在熔化时能很好地稳定在48℃，即使温差在4～10℃之间波动时，海波的温度也能稳定不变。液态海波由纱布过滤后流到右管中，完全是澄清的液体，不含固态物质。由于温度计液泡所在位置的纱布向下凸出，即使只剩下一点点海波晶体，也包裹在液泡上，温度也能稳定在48℃。虽然用了20克的海波，但由于将温差提高较多，海波从46℃升高到53℃也仅用了不到15分钟。经过这样的改进，使实验易于操作，而且晶体熔化时的规律表现得较明显。
我们做了这些探索，虽然掌握了一些规律，但仍有以下几个问题需要继续研究：
①在海波晶体尚未达到熔点时，就给人以潮湿状的感觉，为什么？
②在实验过程中，试管内壁上明显地附着有小水珠，而实验后海波的质量不仅未减少，反而增加了1%，为什么？
③怎样才能更好地处理好过冷却问题？
④在许多资料中，海波的熔点是40℃～45℃，而不是48℃，这是为什么？在《无机盐工业手册》（下册，化学工业出版社96年6月第二版）中明确指出，海波的转换温度是48℃，什么是转换温度？
⑤通常情况下，冰的溶化热是335J/g，萘的熔化热是151J/g，而海波晶体的熔化热是603J/g，海波晶体的熔化热是萘的4倍、冰的1.8倍。海波晶体在熔化时需要吸收更多的热量，这也是用海波做这个实验不容易成功的原因之一。有没有更适当的晶体用来做这个实验？在加上适当防护的条件下能否再次考虑使用萘？
⑥本文所提到的、改进的实验方式在观察海波晶体的熔化时，效果是较为满意的，但对于观察海波晶体的吸热升温过程和液态海波的吸热升温过程还存在一些问题。