实验：物质的加热与冷却曲线

加热与冷却曲线是物质与原子结构一章里第一个定量实验，也正是在这里，物质粒子理论不再是抽象的说法，而变成你能在图上看见的东西。通过在物质熔化再凝固的过程中记录温度随时间的变化，你会得到一条曲线，它的形状解释了状态改变时粒子发生了什么。

本指南列出方法、观察，以及实验考试所看重的试卷三技能。

目的

研究某种物质（例如萘）的加热与冷却，绘制它的加热曲线与冷却曲线，从而测定熔点与凝固点，并把它们与粒子的排列和运动联系起来。

仪器与材料

• 沸腾试管
• 萘（或其他合适的固体，如十八醇）
• 温度计（例如 −10 °C 至 110 °C 的温度计）
• 水浴：三脚架与石棉网上的一杯水
• 本生灯
• 铁架台、夹头与夹子
• 秒表
• 搅拌棒
• 耐热垫

步骤

1. 把沸腾试管装约三分之一满的固体萘，竖直夹好。
2. 把沸腾试管放进一杯水中做成水浴，并在萘中悬挂一支温度计，使温度计的水银球完全没入而不碰到玻璃。
3. 用本生灯缓缓加热水浴，同时启动秒表。
4. 每隔固定时间（例如每半分钟）记录一次萘的温度，并轻轻地、不间断地搅拌。
5. 继续加热和记录，记下固体开始熔化的时刻与温度，以及完全熔化的时刻。
6. 当萘完全熔化、温度再上升一点后，停止加热并把沸腾试管从水浴中取出。
7. 让熔化的萘冷却，仍按相同的固定时间间隔记录温度，在安全的情况下轻轻搅拌。
8. 继续记录，直到萘凝固、温度又稳定下降为止。
9. 分别为加热和冷却绘制温度对时间的图，并从曲线的水平段读出熔点与凝固点。

预期观察

固体被加热时，温度稳定上升。当萘开始熔化时，温度不再上升、保持不变，尽管仍在加热；此时固体与液体同时存在。

全部固体熔化后，温度再次上升。冷却时，液体的温度稳定下降，随后在液体凝固成固体时保持不变，最后在完全变成固体后再次下降。

加热曲线的水平段与冷却曲线的水平段出现在大致相同的温度。

推断与结论

加热曲线的水平段标志熔化，冷却曲线的水平段标志凝固。熔化时温度保持不变，是因为吸收的热用来克服把粒子固定在晶格中的吸引力，而不是提高它们的动能。

凝固时温度保持不变，是因为粒子之间形成新的吸引力时放出了热。水平段的温度就是熔点，它等于同一纯净物质的凝固点。

一段又平又整齐的水平段还说明该物质是纯净的；不纯的物质会在一段温度范围内熔化。

科学过程技能（试卷三风格）

提出假设。 固体被加热时温度上升，直到达到熔点，此时温度保持不变，直到熔化完成。

辨认变量。 操纵变量是时间；反应变量是物质的温度；固定变量包括萘的质量、物质的种类与加热的速率。

列表记录数据。 画一张表，一列记时间（按固定间隔记录），一列记温度，都按温度计所允许的精度，使每个读数一取出就填入。

绘制图表。 纵轴为温度、横轴为时间，画一条平滑曲线，找出水平段；从水平段读出熔点。

操作性定义。 熔点用操作方式定义为：加热曲线水平段上所显示的、固体与液体同时存在时的那个恒定温度。

安全须知

• 用水浴而不是直接加热萘，因为萘的蒸气易燃，在明火上可能着火。
• 在通风良好处或通风橱内操作，因为大量吸入萘蒸气有害。
• 不要让温度计水银球碰到试管壁，使读数是物质的温度而不是玻璃的温度。
• 用夹子处理烫的沸腾试管，并让它在耐热垫上冷却，以免烫伤。

常见错误

• 带视差读温度计。 在视线平齐处读，否则温度会错、水平段位置也会偏。
• 加热太快。 加热速率过快会使水平段很短、难以看清；应通过水浴缓缓加热。
• 不搅拌。 不搅拌时温度不均匀，记录的数值就代表不了整份样品。
• 冷却时太早停止记录。 要继续到温度明显再次下降，使凝固水平段在图上完整。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们用这个实验把粒子理论讲实：能用能量与粒子间作用力解释水平段的学生，就能答好在 SPM化学 里反复出现的状态改变题。因为解读加热或冷却曲线是经典的试卷三技能（试卷三为实验考试，评估科学过程技能），在这里练熟这张图和它的解释，能守住整个中四的分数。