Eksperimen: Lengkung pemanasan dan penyejukan bahan

Lengkung pemanasan dan penyejukan ialah eksperimen kuantitatif pertama dalam bab Jirim dan Struktur Atom, dan di sinilah teori kinetik jirim berhenti menjadi idea abstrak dan menjadi sesuatu yang boleh anda lihat pada graf. Dengan menjejaki suhu melawan masa ketika bahan melebur dan kemudian membeku, anda menghasilkan lengkung yang bentuknya menerangkan apa yang berlaku kepada zarah semasa perubahan keadaan. Panduan ini menyusun kaedah, pemerhatian, dan kemahiran Kertas 3 yang dihargai dalam pentaksiran amali.

Tujuan

Untuk mengkaji pemanasan dan penyejukan sesuatu bahan, contohnya naftalena, dan memplot lengkung pemanasan dan lengkung penyejukannya, supaya takat lebur dan takat beku dapat ditentukan dan dikaitkan dengan susunan dan pergerakan zarah.

Radas dan bahan

• Tabung didih
• Naftalena (atau pepejal lain yang sesuai seperti oktadekan-1-ol)
• Termometer (contohnya termometer −10 °C hingga 110 °C)
• Kukus air: bikar berisi air di atas kaki tripod dan kasa dawai
• Penunu Bunsen
• Kaki retort, bos dan pengapit
• Jam randik
• Pengacau
• Tikar tahan haba

Prosedur

1. Isikan tabung didih kira-kira satu pertiga penuh dengan pepejal naftalena dan apitkannya tegak.
2. Letakkan tabung didih di dalam bikar berisi air untuk membentuk kukus air, dan gantungkan termometer di dalam naftalena supaya bebuli terendam penuh tetapi tidak menyentuh kaca.
3. Panaskan kukus air dengan perlahan menggunakan penunu Bunsen dan mulakan jam randik.
4. Catat suhu naftalena pada sela masa tetap, contohnya setiap setengah minit, sambil mengacau dengan perlahan dan berterusan.
5. Teruskan pemanasan dan pencatatan, sambil mencatat masa dan suhu ketika pepejal mula melebur dan masa ketika ia melebur sepenuhnya.
6. Sebaik sahaja naftalena melebur sepenuhnya dan suhunya naik sedikit lagi, hentikan pemanasan dan keluarkan tabung didih daripada kukus air.
7. Biarkan naftalena lebur itu menyejuk, dan catat semula suhunya pada sela masa tetap yang sama, sambil mengacau perlahan selagi selamat.
8. Teruskan pencatatan sehingga naftalena membeku dan suhunya menurun dengan tetap semula.
9. Plotkan graf suhu melawan masa bagi pemanasan dan penyejukan, dan baca takat lebur dan takat beku daripada bahagian mendatar lengkung.

Pemerhatian yang dijangka

Semasa pepejal dipanaskan, suhu naik dengan tetap. Apabila naftalena mula melebur, suhu berhenti naik dan kekal malar walaupun pemanasan diteruskan; pada masa ini pepejal dan cecair wujud bersama. Setelah semua pepejal melebur, suhu naik semula. Semasa penyejukan, suhu cecair menurun dengan tetap, kemudian kekal malar ketika cecair membeku menjadi pepejal, dan akhirnya menurun semula setelah ia pepejal sepenuhnya. Bahagian mendatar lengkung pemanasan dan bahagian mendatar lengkung penyejukan berlaku pada suhu yang lebih kurang sama.

Inferens dan kesimpulan

Bahagian mendatar lengkung pemanasan menandakan peleburan, dan bahagian mendatar lengkung penyejukan menandakan pembekuan. Suhu kekal malar semasa peleburan kerana haba yang diserap digunakan untuk mengatasi daya tarikan yang mengikat zarah dalam kekisi tetap, bukan untuk menambah tenaga kinetiknya. Semasa pembekuan pula suhu kekal malar kerana haba dibebaskan apabila daya tarikan baharu terbentuk antara zarah. Suhu pada bahagian mendatar ialah takat lebur, yang sama dengan takat beku bagi bahan tulen yang sama. Bahagian mendatar yang tajam dan rata juga menunjukkan bahawa bahan itu tulen; bahan yang tidak tulen melebur pada julat suhu.

Kemahiran proses sains (gaya Kertas 3)

Membuat hipotesis. Apabila pepejal dipanaskan, suhunya naik sehingga mencapai takat lebur, di mana suhu kekal malar sehingga peleburan selesai.

Mengenal pasti pemboleh ubah. Pemboleh ubah dimanipulasi ialah masa; pemboleh ubah bergerak balas ialah suhu bahan; pemboleh ubah dimalarkan termasuk jisim naftalena, jenis bahan dan kadar pemanasan.

Menjadualkan data. Lukis jadual dengan lajur bagi masa (dicatat pada sela tetap) dan lajur bagi suhu, kedua-duanya pada ketepatan yang dibenarkan termometer, supaya setiap bacaan dimasukkan sebaik ia diambil.

Memplot graf. Plot suhu pada paksi menegak melawan masa pada paksi mengufuk, lukis lengkung yang licin, dan kenal pasti bahagian mendatar; baca takat lebur daripada bahagian mendatar itu.

Definisi secara operasi. Takat lebur ditakrifkan secara operasi sebagai suhu malar yang ditunjukkan pada bahagian mendatar lengkung pemanasan, ketika pepejal dan cecair wujud bersama.

Langkah keselamatan

• Panaskan naftalena dalam kukus air dan bukan secara terus, kerana wap naftalena mudah terbakar dan boleh menyala di atas nyalaan terbuka.
• Bekerja di kawasan berteruskan udara baik atau kebuk wasap, kerana wap naftalena berbahaya jika disedut dalam kuantiti banyak.
• Jangan biarkan bebuli termometer menyentuh dinding tabung, supaya bacaan ialah suhu bahan dan bukan suhu kaca.
• Kendalikan tabung didih yang panas dengan pengapit dan biarkan ia menyejuk di atas tikar tahan haba, untuk mengelakkan melecur.

Ralat lazim

• Membaca termometer dengan paralaks. Baca ia pada aras mata, jika tidak suhu salah dan bahagian mendatar tersalah letak.
• Memanaskan terlalu cepat. Kadar pemanasan yang laju menjadikan bahagian mendatar pendek dan sukar dilihat; panaskan perlahan melalui kukus air.
• Tidak mengacau. Tanpa mengacau, suhu tidak sekata, jadi nilai yang dicatat tidak mewakili keseluruhan sampel.
• Berhenti mencatat terlalu awal semasa penyejukan. Teruskan sehingga suhu jelas menurun semula, supaya bahagian mendatar pembekuan lengkap pada graf.

Cara guru kami menggunakan eksperimen ini

Dalam kelas Kimia SPM satu-ke-satu, diajar dalam bahasa Inggeris dari RM50 sejam, kami menggunakan eksperimen ini untuk menjadikan teori kinetik nyata: pelajar yang boleh menerangkan bahagian mendatar lengkung dari segi tenaga dan daya zarah boleh menjawab soalan perubahan keadaan yang berulang merentasi Kimia SPM. Kerana mentafsir lengkung pemanasan atau penyejukan ialah kemahiran Kertas 3 yang klasik (Kertas 3 ialah Ujian Amali yang menaksir kemahiran proses sains), berlatih graf dan penerangannya di sini melindungi markah sepanjang Tingkatan 4.