何艷陽(yáng)

(北京市北達(dá)資源中學(xué)　北京　100080)

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如何做好碘錘的升華實(shí)驗(yàn)

何艷陽(yáng)

(北京市北達(dá)資源中學(xué)北京100080)

初中物理升華教學(xué)中，有一個(gè)典型的成品儀器，大家稱之為碘錘(圖1).

如何用碘錘做好碘的升華和凝華實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

正確的實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)該將碘錘的下端浸入熱水中，讓學(xué)生仔細(xì)觀察碘的升華和凝華現(xiàn)象.

可是有些教師卻將碘錘置于酒精燈的火焰上加熱用來(lái)觀察碘的升華現(xiàn)象，如圖1所示，該做法還出現(xiàn)在某些省市的中考題或教材中！

圖1　碘錘置于酒精燈上做碘升華實(shí)驗(yàn)

我們認(rèn)為演示碘的升華和凝華實(shí)驗(yàn)，前者正確,后者是有問(wèn)題的！問(wèn)題在哪里？

先從理論上分析，討論物質(zhì)的熔化、凝固，汽化、液化，升華、凝華的理論基礎(chǔ)是該物質(zhì)的三相圖.碘的三相圖如圖2所示，其中O為碘的三相點(diǎn)，三相點(diǎn)溫度是387.31K(即114.16℃).OB為碘的升華、凝華曲線，從OB曲線可知，碘不經(jīng)過(guò)液態(tài)而直接升華的最高溫度為114.16℃，此時(shí)的飽和碘蒸氣壓強(qiáng)為11.96kPa.

圖2　碘的三相圖

要準(zhǔn)確展示碘的升華、凝華現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)溫度必須控制在114.16℃以下.超過(guò)114.16℃，碘可能出現(xiàn)熔化、汽化現(xiàn)象！酒精燈火焰的溫度約400℃，用火焰加熱能使碘的溫度很快就超過(guò)114.16℃，所以用圖1的方法做碘的升華實(shí)驗(yàn)是有欠缺的！也是不準(zhǔn)確的！

再用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證上述的分析.

首先在試管中封閉了較多的碘顆粒.用酒精燈加熱,如圖3所示.在幾秒的時(shí)間內(nèi)試管底部的碘開(kāi)始熔化，很快，試管底部出現(xiàn)大量液體,如圖4所示，試管上部空間只有在大部分碘熔化完，紫色煙霧才慢慢增多.

圖3

圖4

碘的量少些會(huì)是什么樣？于是筆者又開(kāi)始逐漸減少試管中碘的質(zhì)量，最后減少到小于0.4g，用酒精燈加熱，每次都很容易看到碘的液態(tài).

筆者將上述兩次實(shí)驗(yàn)中的熱源都改用90℃以上的“水浴法”重新做了一遍，甚至加熱時(shí)間比火焰加熱的時(shí)間還長(zhǎng)，每次都只是看到紫色煙霧而沒(méi)有出現(xiàn)液態(tài).也就是只有升華，沒(méi)有熔化.

筆者又重新做了碘錘實(shí)驗(yàn)(圖1)，由于碘量較少(筆者詢問(wèn)了幾個(gè)廠家得知碘錘制作中是在常壓下加入1g左右的碘)，并且較薄地分布在容器的底部，需要仔細(xì)觀察是否有液態(tài)出現(xiàn).酒精燈加熱后，仔細(xì)觀察底部，確實(shí)出現(xiàn)了少量液態(tài)的碘，很快液態(tài)的碘汽化，如果不仔細(xì)觀察，用火加熱碘錘是較難看到少量液體的.筆者又找來(lái)了新的碘錘，把碘顆粒集中到一起重新做實(shí)驗(yàn)，由于液體的表面張力作用，還能比較清楚地看到液態(tài)的小碘球.

改用90℃以上的“水浴法”重做碘錘的實(shí)驗(yàn)，只看到碘的升華，沒(méi)有出現(xiàn)碘的熔化現(xiàn)象.

上述3個(gè)實(shí)驗(yàn)，碘都是被置于封閉的空間中.我們將數(shù)量較多的碘和減少到小于0.4g的碘兩次實(shí)驗(yàn)，置于抽風(fēng)的隔離罩里做敞口的實(shí)驗(yàn).不論是酒精燈加熱，還是90℃以上的“水浴法”加熱，實(shí)驗(yàn)情況和試管加塞的實(shí)驗(yàn)情況相似，不再贅述了！

酒精燈加熱時(shí)碘錘中碘量低于多少就不容易達(dá)到三相點(diǎn)呢?我們用理想氣體方程粗略地估算了一下三相點(diǎn)時(shí)碘錘中碘的質(zhì)量.氣態(tài)方程

其中，p=11.96kPa,碘的摩爾質(zhì)量M=254g/mol,R=8.31J/mol·K,T= 387.31K，利用溢水杯和量筒可以得出碘錘的體積V=60mL，則碘的質(zhì)量

代入數(shù)據(jù)

m=0.057g

也就是說(shuō)取1個(gè)容積為60mL的碘錘，體系中只要超過(guò)0.057g碘升華，碘蒸氣的壓強(qiáng)就可能超過(guò)11.96kPa.碘錘中碘量大約1g，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)三相點(diǎn)時(shí)的氣壓了.這就是碘錘中有液體出現(xiàn)的原因了.

以上僅為本人對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的看法，提出來(lái)和同行討論，不妥之處請(qǐng)批評(píng)指正.

1蔡云波.為什么能升華的物質(zhì)有熔點(diǎn).化學(xué)教學(xué)，2007(9):71～72

2姜榮東.奇怪的沸點(diǎn).問(wèn)題解答與討論，1998(6)

3張永明.升華和凝華演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備,2010(2)

4徐輝,朱秀明.淺析《升華和凝華》實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究.中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備,2012(5)

5魯佩用，鄒玉.給碘加熱它一定升華嗎?中學(xué)物理,2014(8)

6唐美春.碘升華演示實(shí)驗(yàn)的研究與設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器,2002(11)

7彭友山.碘升華和凝華實(shí)驗(yàn)的2種改進(jìn)方法.物理實(shí)驗(yàn),2006(1)

2016-01-27)