Øvelse 4. Fredrik Thomassen. Rapport: Woods metall eller faseoverganger. Naturfag

Transkript

1 Rapport: Woods metall eller faseoverganger Webmaster ( :11 ) Videregående -> Naturfag -> Grunnkurs Karakater: 6 Referanse: Ø2.7 alt. 3, Studiebok s.71. Grunnkurs Naturfag Øvelse 4 Vi finner størkningspunktet til Woods metall Av: Fredrik Thomassen 1A November 2003 Rapport: Woods metall eller faseoverganger 1

2 Fordamping og smelting er vanlig brukte begreper i dagliglivet. Smelting av is og fordamping av vann er jo dagligdagse ting, det går ikke en dag uten at man er involvert i en prosess som på fagspråket heter faseoverganger. Woods Metall: Smeltepunkt: 78 C Størkningspunkt: 62,5 C Innhold: 50% vismut (Bi), 25% bly (Pb), 12,5% tinn (Sn) og 12,5% kadmium (Cd) Egenskaper: Liten klebeevne ovenfor andre metaller, lavt smeltepunkt. Bruksområde: Brukes til å fylle hule gjenstander, som for eksempel rør for å forhindre deformering mens de forarbeides, etterpå smelter man bort metallet. Woods metall brukes også i branndetektorer, som sikkerhetsplugger i automatiske brannslukningsanlegg, branndørlåser, i smeltesikringer, som sikkerhetsventiler i dampkjeler m.m. Og det er nettopp faseoverganger som er hovedtema i dette forsøket. En slik overgang er altså når et stoff, i kjemisk forstand, går fra en form til en annen. En slik overgang inntreffer når molekylene i et stoff har tilegnet seg en viss mengde energi. Når de tilegner seg mer energi beveger de seg fortere og fortere og temperaturen øker. Når de mister energi beveger molekylene seg saktere og temperaturen synker. Men når de for eksempel når en så lav fart (temperatur) at de ikke lengre klarer å fyke forbi hverandre, men får samme plass i forhold til hverandre, inntreffer det vi kaller for størkning. De kommer da tettere sammen, og den indre energien (vanskelig begrep, mer om det senere) minsker. Motsatt når molekylene bare går saktere, men fremdeles har ruter på kryss og tvers i forhold til hverandre, er det den ytre energien som minsker. Denne er enklere målbar, og kalles for avkjøling. I tillegg til disse har vi oppvarming (ytre energi øker), smelting (motsatt av størkning), fordamping (de flyr langt vekk fra hverandre, går til gassform) og kondensering (motsatt av fordamping). Det finnes også noe som kalles sublimasjon, her går man rett fra fast stoff til gass (og vice verca), men det kommer vi ikke inn på her. I et fast stoff har atomene en fast plass, men samtidig har de en slags dirrebevegelse. Atomene har altså kinetisk energi (E k ). Samtidig blir hvert atom påvirket av krefter fra naboene. Atomene har derfor også potensiell energi. (E p ). Summen av slik indre, molekylær E k og E p kalles stoffets indre energi. Når et stoff faller mot bakken, når biler kjører, når fotballspillere sparker er eksempler på ting som har både E k og E p, til sammen ytre energi. I teorien betyr dette at når størkningen inntreffer vil energitapet bli trukket fra i E p, noe som vil føre til at molekylene vil sette seg sammen igjen og bli til et fast stoff. Vi mister altså ikke noe E k under en faseovergang og temperaturen burde derfor holde seg konstant. Derfor kan vi ved temperaturmålinger finne ut når størknings og smeltings punktet har inntruffet. I dette forsøket skal vi se nærmere på woods metalls faseovergang fra flytende til fast form, altså størkning. Så lenge størkningen pågår holder stoffet (i dette tilfellet woods metall, se faktafil, heretter omtalt som metallet) i følge teorien samme temperatur. Dette er altså stoffets størkningstemperatur. 1A 2

3 På grunnlag av teorien ovenfor vil vår graf for metallets temperaturutvikling (indre E k ) se omtrentlig ut slik som denne (tror vi): Merk! Det er altså der hvor grafen flater ut at vi tror størkningen pågår, altså indre E p faller. Alt dette høres jo mystisk ut. Kan det stemme? Og det er nettopp dette vi skal prøve å bekrefte i dette forsøket. Øvelse 4: Vi finner størkningspunktet til Woods metall. Problemstilling: Observere temperaturutviklingen i woods metall fra smeltet form og vel tilbake til størknet form og finne temperaturen hvor metallet størkner, kalt størkningspunktet. Utstyrliste: Termometer, C m/nødvendig utstyr for oppheng Stoppeklokke Gassbrenner En klump Woods metall Blikk krus m/ klype Stativ m/oppheng for termometer og blikk krus Figur av modell: Vi stiller opp utstyret som vist på tegningen. Først legger vi en bit metall oppi et blikkrus. Vi fyller deretter opp med ca 1-2 cm vann og skråstiller glasset. Kruset skråstilles av to grunner; for det første fordi vannet da vil få en større overflate noe som medfører en roligere oppvarming, og for det andre for å vite omtrentlig hvor innholdet vil havne dersom det skulle komme til å koke. For å få mest mulig nøyaktige temperaturmålinger er vi veldig nøye med oppkoblingen av termometeret. Vi sørger for å skape best mulig kontakt med metallet, ved å stikke termometeret nesten helt inn i metallet, men ikke så mye at det størkner fast. Når stativet er ferdig oppstilt starter prosessen ved at gassbrenneren begynner å varme opp vannet og metallet. Etter kort begynner metallet og koke. Det tar ca. 3-5 minutter før stoffet er ferdig smeltet. Metallets viskositet i smeltet tilstand kan ligne på vann. Vi slår av gassbrenneren og starter målinger. Dette fortsettes til vi er helt Øvelse 4:o:p 3

4 sikre på at metallet er størknet, så fortsetter vi litt til. Vi tar målinger av temperatur hvert 30 sekund. Vi valgte å avrunde temperaturen til nærmeste 0,5 grader p.g.a.. at det var vanskelig å avlese noe mer korrekt. Nedenfor følger resultatene av våre målinger som graf, med medfølgende verditabell. Tid i minutter 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 Temperatur i C 80,0 79,5 75,0 73,0 69,5 67,0 65,0 62,5 60,5 59,5 59,5 Tid i minutter 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9, ,5 Temperatur i C 59 58, , , ,5 51 Tid i minutter 11 11, , , ,5 15 Temperatur i C 49,5 48,0 47,0 46,5 45,5 44,5 44,0 43,0 42,0 E p minsker er markert med fet. Merknader til grafen: Etiketter på tidsaksen er intendert utelatt da denne kurven kun er ment som en illustrasjon på hvordan størkningen foregikk, nøyaktige data i verditabell. Verdiaksen har få etiketter for å illustrere at dette er et utsnitt. Temperaturen (E k ) i metallet tilnærmer seg relativt jevnlig romtemperaturen. Vi ser imidlertid at grafen jevner seg ut, markert som E p minsker, noe som stemmer med forutsatt. Vi velger å tro at størkningspunktet ligger et sted mellom 60,5 og 57 C. Ut ifra en gjennomsnittsbetrakting vil dette tilsi (jfr. verditabell) at størkningspunktet inntraff ved ca. 58,5 C. Dette tallet ligger litt under den virkelige størkningstemperaturen for woods metall (se faktafil). Grunnen til dette er helt sannsynligvis en eller flere av feilkildene ved dette forsøket: Metallet er trolig av en slik størrelse det påvirker temperaturen, eksempelvis ved at det først størkner på utsiden, deretter innvendig. Metallet har, slik meg bekjent, blitt brukt i den samme øvelsen flere ganger. For hver gang vil stoffet da ta til seg andre stoffer fra vannet og luften, og det vil miste sin renhet. Temperaturen (Ek) i metallet tilnærmer seg relativt jevnlig romtemperaturen. Vi ser imidlertid at grafen 4 jevne

5 Vannet vil trolig gi en liten påvirkning på metallets temperatur. Er ikke termometeret korrekt plassert, for eksempel inntil blikkruset, som vil kunne oppnå en høy temperatur, vil det kunne føre til store forskjeller. Romtemperatur har trolig en minimal betydning, men vil kunne utgjøre en liten forskjell. Ukorrekte avlesninger, tid og temp. Ukorrekt termometer, dette er imidlertid svært lite trolig. Likevel mener vi at forsøket har vært vellykket. Vi har sett at indre E p synker og at E k holder seg konstant (ideelt sett) under en faseovergang, vi kan si at temperaturfallet venter til størkningen er ferdig. Vi har dermed fått bekreftet teorien fra innledningen. Fredrik Thomassen Metallet er trolig av en slik størrelse det påvirkertemperaturen, eksempelvis ved at det først størkner 5 på