如何做好碘錘的升華實(shí)驗(yàn)

何艷陽

(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

(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,后者是有問題的！問題在哪里？

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，每次都只是看到紫色煙霧而沒有出現(xiàn)液態(tài).也就是只有升華，沒有熔化.

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

也就是說取1個(gè)容積為60mL的碘錘，體系中只要超過0.057g碘升華，碘蒸氣的壓強(qiáng)就可能超過11.96kPa.碘錘中碘量大約1g，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過三相點(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)