物理化学实验讲义200506北京石油化工学院.pdf

物理化学实验讲义 物理化学实验讲义 供环境工程类本科生用 北京石油化工学院 北京石油化工学院 物理化学教研室 物理化学教研室 2005 6 1 目录目录 绪论 2 实验一 恒温技术 11 实验三 纯液体泡和蒸气压的测定 16 实验六 原电池电动势的测定 21 实验七 蔗糖转化 26 附录 环境工程类物理化学实验教学大纲 32 2 绪 论 一 一 物理化学实验教学的目的和任务 物理化学实验教学的目的和任务 化学是建立在实验基础上的科学 物理化学实验是化学实验的重要分支 也是研究 化学基本理论和问题的重要手段和方法 物理化学实验的特点是利用物理方法研究化学 系统变化规律 通过实验的手段 研究物质的物理化学性质及这些性质与化学反应之间 的关系 从而得出有益的结论 物理化学实验教学的主要目的是使学生初步了解物理化 学的研究方法 掌握物理化学的基本实验技术和技能 会使用一些基本仪器设备 学会 重要的物理化学性能测定 熟悉物理化学实验现象的观察和记录 实验条件的判断和选 择 实验数据的测量和处理 实验结果的分析和归纳等一套严谨的实验方法 通过实验 加深学生对物理化学原理的认识和理解 培养学生理论联系实际的能力 培养学生查阅 文献资料的能力 使学生受到初步的实验研究的训练 提高学生的实验操作技能和培养 学生初步进行科学研究的能力 物理化学实验课主要由下列三个教学环节组成 1 物理化学实验讲座 1 3 次 讲座内容包括实验报告书写 误差及数据处理 基 本实验方法和实验技术 物化常开实验介绍 特别是未做实验 现代物化实验及仪器介 绍等 少课时的可以少讲 2 完成 4 18 个 根据不同专业 物理化学实验的实际操作 实验内容包括热力学 电化学 动力学 表面与胶体等 3 修完本课程后可进行一次考试 考核形式可以是笔试 口试或单元操作考试 也 可以依预习报告 实验表现 实验报告等情况 评定该课程的最终成绩 二 预习 实验操作和实验报告要求 二 预习 实验操作和实验报告要求 进行每个实验都包括实验的预习 实验操作和实验报告三个步骤 它们之间是相互 关联的 任何一步做不好 都会严重影响实验教学质量 1 预习及预习报告 阅读实验讲义的有关内容 查阅相关资料 了解实验的目的和要求 原理和仪器 设备的正确使用方法 结合实验讲义和有关参考资料写出预习报告 预习报告的内容包 括 1 实验目的 2 简单原理 3 操作步骤和注意事项 4 原始数据记录表格 要用自己的语言简明扼要的写出预习报告 重点是实验目的 操作步骤和注意事项 实验前 教师要检查每个学生的预习报告 必要时进行提问 并解答疑难问题 对 未预习和未达到预习要求的学生 必须首先预习 尔后经教师同意 方可进行实验 2 实验操作 学生要严格遵守实验室的规章制度 注意安全 爱护仪器设备 节约实验用品 保 3 持实验室的清洁和安静 尊重教师的指导 实验不准无故迟到 早退 旷课 病假要持 医院证明申请补做 否则该实验记零分 学生进入实验室后 应首先检查测量仪器和试剂是否齐全 做好实验前的准备工作 仪器设备安装完毕或连接好线路后 须经教师检查合格才能接通电源开始实验 实验操 作时 要严格控制实验条件 仔细观察实验现象 详细记录原始数据 积极思考 善于 发现问题和解决实验中出现的各种问题 未经教师允许不得擅自改变操作方法或开始实 验 实验中仪器出现故障要及时报告 在教师指导下进行处理 仪器损坏要立即报告 进行登记 按有关规定处理 实验数据必须达到要求 经教师检查合格后才能拆实验装 置 实验要严肃认真 一丝不苟 不串位 不喧哗 不穿拖鞋背心等 不将不文明行为 带进实验室 实验完毕后 要将用过的玻璃仪器清洗干净 仪器和药品要整理好 实验 台和地面清理干净 经教师检查后 方可离开实验室 3 实验报告 实验后 每个学生必须把自己的测量数据进行独立和正确处理 写出实验报告 按 时交给教师 实验报告内容除了预习报告中的四条内容外 还包括 5 数据处理 6 结果分析讨论 7 回答思考题 8 参考文献等 而这几条则是实验报告的重点 其 中结果分析讨论主要是对实验结果进行误差分析 实验现象的解释 实验的体会 提出 改进意见 实验报告是教师评定实验成绩的重要依据之一 三 物理化学实验中的误差和数据表达 三 物理化学实验中的误差和数据表达 在任何一种测量中 无论所用的测量仪器多么精密 方法多么完善 实验多么细心 所得结果常常不能重复 而且测量值之间总有一个差值 因此 对于一项科学测量 仅 仅得出实验结果是远远不够的 必须同时指出测量误差的大小 下面介绍误差的起因及 计算方法 1 误差的起因及分类 系统误差 这种误差是由仪器误差 试剂误差 方法误差 环境误差 人为误差等 原因引起的 其特点是 假如在相同条件下多次测量同一个物理量 测量误差的绝对值 和符号保持不变 它的起因大致可分为以下几方面 1 仪器误差 这是由于仪器结构上的缺点 或校正与调节不适当引起的 如天平 的不等臂等 它可以用一定的检验方法来检出和校正 2 试剂误差 化学实验中试剂的纯度会给实验结果带来严重影响 因此试剂的提 纯是科学测量中一件十分重要的工作 3 环境误差 由于仪器使用环境不当 或外界条件 如温度 大气压 湿度等 发生单一方向变化而引起的误差 4 方法误差 测量方法所依据的理论不完善或引用了近似公式所造的 5 人为误差 它产生于测量者的感觉器官的不完善 或个人的不恰当的视读习惯 及偏好 所以 只有不同的实验者 用不同的实验方法和不同仪器所得的数据相符合时 才可以认为系统误差已基本消除 偶然误差 即使系统误差已被改正 但在相同条件下多次重复测量同一物理量时 每次测量结果都有所不同 它们围绕着某一数值上下无规则的变化 其误差符号时正时 负 误差绝对值时大时小 造成上述偶然误差的原因大致有 1 实验者对仪器最小分度以下的估读每次很难严格相同 2 测量仪器的某些活动部件所指示的测量结果 很难每次完全相同 3 影响测量结果的某些实验条件 例如温度测量值不可能在每次实验中都控制得 绝对一样 偶然误差是不可能避免的 它的产生是由一些偶然因素造成的 它的数据分布一般 服从正态分布规律 如果用多次测量的数值作图 以横坐标表示偶然误差 以纵坐标表 示各个偶然误差出现的次数 n 则可得到图 0 1 中的曲线 图中 称为均方根误差或标准误差 愈小 误差分布曲线愈尖锐 即较小的偶然 误差出现的几率大 表明测量的精密度较高 对于偶然误差 随测量次数 n 的无限增加而 趋于零 即 n i i n 1 0 1 limlim 因此 为了减少偶然误差 在实际测量中 常 常进行多次测量以提高测量的精度 过失误差 这是由于实验者犯了某种不应犯的 错误所引起的 如看错标尺刻度 写错记录等 2 测量的准确度与测量的精密度 图 0 1 偶然误差的正态分布曲线 准确度是指测量结果的准确性 具体说 就是 指测量结果偏离真值的程度 所谓真值就是指用已消除系统误差的实验手段和方法进行 4 a b c 图 0 2 准确度和精密度示意图 足够多次的测量所得的算术平均值或者文献手册中的公认值 精密度则指测量结果的可重复性及测量值有效数字的位数 所以测量的准确和测量 的精密是有区别的 可以用射手打靶情况作一比喻 图 0 2 a 表示准确度和精密度都 很好 b 因能密集射中一个区域 所以精密度很高 但准确度不高 c 准确度 精 密度都不高 因此 可以这要说 高精密度不一定能保证有高准确度 但高准确度必须 有高精密度来保证 3 误差的表示方法 测量误差与测量偏差是有区别的 即 绝对误差 i 测量值Xi 真值 X真 绝对偏差di 测量值Xi 平均值X 相对误差 i X真 100 相对偏差 di X 100 但由于在实际测量中 很难确切知道真值 所以在运算中 往往用di代替 i 在计 算一个实际测量的误差 偏差 时 一般采用以下各式 平均误差 偏差 n d d n i i 1 标准误差 偏差 1 1 2 n d n i i 式中观测次数 n 为有限次 或偶然误差 P 0 6745 4 间接测量结果的误差计算 前面所述的是直接测量误差的计算 但一般实验结果很少是从一个测量结果直接得 到的 而是把一些直接测量值代入一定函数式中 经过数学运算而得到 这就称为间接 测量结果 显然 每个直接测量值的准确度都会影响最后的准确性 因此必须进一步讨 论如何从直接测量值的误差来计算间接测量值的误差问题 1 间接测量结果的平均误差计算 函数式 N f x y z 全微分 dz z N dy y N dx x N dN 则 1 dz z N dy y N dx x N zyxfN dN 以实验 4 中测定溶剂的凝固点降低计算分子量M为例 10001000 f f 0 A Bf fA Bf TTW WK TW WK M 这里直接测量值为Wb WA Tf 0 T f0 M的相对误差为 f f B B A A T T W W W W M M 5 表 0 1 部分函数的平均误差计算公式 函数关系 绝对误差 相对误差 N x y dx dy yx dydx N x y dx dy yx dydx N xy x dx y dx y dy x dx N X Y 2 y dyxdxy y dy x dx N X n nx n 1dx x dx n N lnx x dx ln xx dx 2 间接测量结果的标准误差计算 0 2 表 0 2 部分函数的标准误差计算公式 函数关系 绝对误差 相对误差 N x y 22 yx 22 1 yx yx N xy 2222 yx xy 2 2 2 2 yx y x N X Y 2 2 2 2 1 yx y x y 2 2 2 2 yx y x N X n nx n 1 x x n x N lnx x x xx x ln 6 函数式 N f x y z 标准误差 2 2 2 2 2 2 ZyxN Z N y N x N 再以测定溶剂的凝固点降低计算分子量M为例 得 2 T 2 f 2 A 2 A 2 B 2 B 0 f T M W M W M M 5 测量结果的正确记录与有效数字 前面谈到 实验中测定的物理量N值的结果应表示为N N 例如称量某物质量 得结果为 1 2345 0 0004 克 则说明其中的 1 234 是完全准确的 末位数字 5 则不确定 它只告诉一个范围 1 到 9 我们把所有正确的数字 不包括表示小数点位置的 0 和 这位有疑问的数字一起称为有效数字 记录和计算时 仅记下有效数字 多余的数字都 不必记 由于间接测量结果需要运算 涉及运算过程中有效数字的位数确定问题 下面扼要 介绍一些有关规则 1 有效数字的表示方法 误差一般只有一位有效数字 至多不超过二位 任何一个物理量的数据 其有效数字的最后一位应和误差的最后一位一致 例 如记成 1 35 0 01 是正确的 记成 1 351 0 01 或 1 3 0 01 意义就不清楚了 为了明确地表明有效数字 一般常用科学记数法 因为表示小数位的零不是有 效数字 例如下列数据 1234 0 1234 0 0001234 都是四位有效数字 但遇到 1234000 时 它的有效位数很模糊通常不讨论 为了避 免这种问题 通常将上列数据写成以下的指数形式 1 234 10 3 1 234 10 1 1 234 10 4 1 234 106 这就表明它们都是四位有效数字 2 有效数字的运算规则 在舍弃不必要的数字时 应用 4 舍 6 入 5 看齐 规则 在加减运算时 各数值小数点后所取的位数与其中最少者相同 例如 0 12 0 12 12 232 舍去多余数字后 12 23 1 5683 1 57 13 92 当数值的首位大于或等于 8 就可多算一位有效数字 如 9 12 在运算时可看成 四位有效数字 在乘除法运算中 保留各数的有效位数不大于其中有效数字最低者 例如 1 58 0 0182 81 其中 81 的有效数字最低 但是由于首位是 8 就可以看成 三位有效数字 其余各数都可以保留三位有效数字 这时上式变为 1 58 0 0182 81 3 56 10 3 最后结果也保留三位有效数字 7 对于复杂的计算 应先加减 后乘除 在计算未达到最后结果之前的中间各步 可 多保留一位有效数字 以免多次弃舍造成误差积累 但最后结果仍只保留应有的位数 在整理最后结果时 应使被测值的末位数与误差的末位数对应 注意 误差的有 效位数最多用二位 一般只需一位 实验结果 化整结果 N1 1001 77 0 033 N1 1001 77 0 03 N2 147 15 0 127 N2 147 15 0 12 N3 178953 759 N3 1 790 0 008 10 5 计算式中的常数如 e 2和一些取自手册的常数 可以按需要取有效数字 在对数计算中所取的对数位数 对数首数除外 应与真数的有效数字相同 6 数据的表达方法 物理化学实验结果的表示方法主要有三种 列表法 作图法 数学方程法 这里主 要介绍后两种方法中的一些关键问题 1 作图方法 用作图法表示实验数据能清楚地显示出实验变化规律 如极大值 极小值 转折点 周期性 变化速率等重要性质 同时也便于数据的分析对比 如果曲线足够光滑 则可 用于图解微分和图解积分 有时还可以用作图外推求得实验中难以获得的量 作图方法 要点简述如下 图 0 3 图 0 3 坐标标值正误比较 左图正确 右图不正确 坐标标值线的选择应便于从坐标上读出任一点坐标值 通常应使单位坐标所代表 的变量为简单的整数 最好选 1 2 5 的倍数 不宜选 4 8 的倍数 不可选 3 6 7 9 的倍数 除特殊需要 如直线外推求截距 外 就不一定以坐标原点作标值起点 可从 略小于最小测量值的整数开始 这样才能充分利用坐标纸 使作的图位于纵横坐标轴的 中心位置 同时 读数精度也得到提高 坐标标值的设置还应使变量的绝对误差值大约相当于坐标最小分度的 0 5 1 格 这 样才能反应出原始数据的有效数字 坐标选好后 就要在坐标轴外面标上标值 应当力求整齐划一 标记上的数字应该 8 与原数据的有效数据位数相同 坐标轴上必须注明变量名称和单位 作图时 曲线应尽可能贯穿大多数的点 使处于光滑曲线两边的点数约各占一半 这样的曲线就能近似地代表测量的平均值 注意个别实验坏点连线时是可以不考虑的 绘制曲线可用曲线板或曲线尺 要尽可能使其光滑 点可用 等不同符号 标记 且必须在图上明显地标出 点应有相应的大小 它可粗略表明测量的误差范围 每个图应有简明的题标 题标放在图的正下方 且注明每条曲线的实验条件 直线是曲线中最易作的线 用起来也方便 为了使函数关系能在图上表示成直线 常将某些函数直线化 所谓直线化就是将函数y f x 转换成线性函数 要达到这个目 的 可选择新的变量X x y 和Y x y 来代替变量x 和y 以便得出直线方程式 Y B mX 下面列出几个常见的例子 方程式 变换 直线化后的方程式 y ae bx Y lny Y lna bx y a b x Y lgy X lnx Y lna bX y 1 a bx Y 1 y Y a bx y x a bx Y x y Y a bx 曲线上作切线 欲在曲线的 E 点作切线 可应用镜面法 先作该点法线 AB 再作 切线 方法是取一面平而薄的小方镜子 将其一边 AB 垂直放在曲线的横断面上 然后绕 E 点转动 直到镜外曲线与镜中曲线连成一条光滑曲线时 沿 AB 边画出直线就是法线 通过 E 点作 AB 的垂线就是切线 如图 0 4 所示 2 方程式法 用方程式表示数据 不但表达方法简单 记录方便 也 便于求其微分 积分或内插值 因此将所得实验数据 归纳 总结成方程式 也是科学能力的重要训练 下面主要介绍直 线方程常数的确定 至于将曲线回归成方程式 随着计算机 的普及应用 方法多种多样 这里不作介绍 确定直线方程常数的方法有三种 作图法 平均值法和 图 0 4 作切线的方法 最小二乘法 作图法最简单 适用于数据较少且不十分精密的场合 平均法较麻烦 但 当有六个以上比较精密的数据时结果就较作图法好 最小二乘法最繁 但结果最好 它 需要有七个以上较精密的数据 前面已讨论过作图法 这里只介绍平均法和最小二乘法 平均法 设线性方程为 y mx b 现在要确定m和b 原则上 只要有两对变量 x1 y1 x2 y2 便可把m b确定下来 但实际上 通常有更多的数据可资应用 而且用不同数据算出的m b值一般并不相 9 同 解决这一困难的一种方法就是平均法 根据平均法 正确的m b值应该能使 残差 为零 残差 ui 定义是 u mx b y 式中 表示第 次测量 将所测得的数据平分成两组 使每组方程式数目近似相等 然后将两组方程式各自 相加 得到下列两个方程式 1 0 111 LLLLLLLLLLLLLL k i k i ii k i i ykbxmu n ki i n ki i n ki i ykbxmu 111 2 0LLLLLLLLLLLLLL 将 1 2 式联立 即可解出 m b 值 最小二乘法 上述平均法的原理是正负残差大致相等 因此残差之和应为零 实际在有限次数的 测量中 这个假定通常并不是严格成立的 另一种准确的处理方法就是最小二乘法 也 叫最小差方和法 这个方法的基本点是 最佳结果能使残差的平方和最小 设残差的平 方和为 S 3 222 1 2 1 2 1111 2 22 LLLLL n i i n i i n i ii n i n i n i iiii yybnbyxmxbmxmybmxS 使 s 为极小值的必要条件为 4 2220 111 2 LLLLLLLLLLLLLLLL n i ii n i i n i i yxxbxm m S 5 2220 11 LLLLLLLLLLLLLLLLL n i i n i i ybnxm b S 由 4 5 式解出的 m b 分别为 6 11 2 2 111 LLLLLLLLLLLLLLLL n i n i ii n i n i n i iiii xxn yxyxn m 7 11 2 2 111 2 LLLLLLLLLLLLLLLL n i n i ii n i n i n i iiii xxn yxxxn b 上述计算 m b 的方法很可靠 但很麻烦 随着电子计算机在物理化领域中的广泛应 用 目前用计算机程序进行最小二乘法处理已是极其普遍的了 10 实验一 恒温技术 实验一 恒温技术 一 实验目的和要求 一 实验目的和要求 1 了解恒温槽的构造及恒温原理 初步掌握其装配和调试的基本技术 2 了解新型电子仪器 NTS 2A 型温压计 JDW 3F 型温差仪和接点水银温度计的使用 方法 3 绘制恒温槽的灵敏曲线 温度 时间曲线 学会分析恒温槽的性能 二 基本原理 二 基本原理 一般物理化学量的测量多在恒温条件下进行 因此 在测量过程中保持温度恒定有 重要意义 利用物质相变温度的恒定性来控制温度的恒定是恒温的一种重要方法 根据恒定温度的不同 恒温槽中可以选择不同的工作物质 一般在 0 oC以上 100 oC 以下都采用水 为了避免水分的大量蒸发 50 oC以上时常在水面上加一层石蜡油 超过 100 oC的恒温槽常采用液体石蜡 甘油或豆油代替水作为工作物质 至于更高温度的恒温 槽可采用沙浴 盐浴 金属浴和空气浴 0 oC以下的可采用盐水做工作物质 恒温槽一般由浴槽 温度控制器 继电器 加热器 搅拌器 和温度计等组成 介 绍如下 1 温度控制器 水银接点温度计 导电表 其结构和普通温度计相似 只是其中 有一根由磁铁的转动来调节其升降的接触 丝 4 及另一根与水银球相通的接触丝 5 如 图 1 1 所示 4 5 连出的两根导线接到继 电器上 当温度升高时 水银球中的水银 膨胀使毛细管的水银柱上升与 7 接触 温 度控制器接通 使继电器线圈通以电流 继电器使加热器回路断开 停止加热 当 温度降低 水银柱下降与 7 断开 继电器 线圈无电流通过 继电器上弹簧片弹回 加热回路接通开始加热 在水银接点温度 计接触丝 4 的上段一块小金属标铁 6 它可 和 7 同时升降 其后背有一温度刻度表 由 6 的上沿位置可读出所需控制的大概温 度值 温度恒定后 将 2 的螺钉固定 以 免由于震动而影响温度的控制 1 调节帽 2 调节帽固定螺丝 3 铁丝 4 螺旋杆引出线 5 水银槽引出线 6 标铁 7 触针 8 刻度盘 9 螺丝杆 10 水银槽 图 1 1 接点水银温度计的的构造图 11 2 JKY 1 型节能控温仪 该电子仪器可以替代继电器和加热器 当使用水银接点温度计 水浴温度等于或超 过所限定的值时 控温仪停止加热 当温度低于所限定的值时 控温仪继续加热 3 搅拌器 为使恒温槽温度均匀 需要对水浴进行搅拌 搅拌马达的大小和功率视恒温槽大小 而定 一般小型恒温槽常用 25 W 的搅拌器 另外 一般搅拌器上还带有调压器 可以调 节搅拌速度 对搅拌马达的要求是长时间连续不断的运转而发热少 噪音底 震动小 4 温度计 可用 NTS 2A 型温压计测量溶液的温度 若测量恒温槽的灵敏度 用 JDW 3F 型精密 温差测量仪即可满足要求 使用方法见附录一 附录二 三 仪器和试剂 三 仪器和试剂 恒温槽设备一套 包括玻璃水槽 加热器 电动搅拌器 水银接点温度计 JKY 1 型节能控温仪 等 JDW 3F 型精密温差测量仪一台 NTS 2A 型数字式温度压力计一台 秒表一块 四 实验步骤 四 实验步骤 1 恒温槽的安装 根据所给元件 装配成一个恒温槽 接好线路 由于所选用的仪器比较先进 只须 将电源接通即可按实验步骤进行数据测量 见图 1 2 图 1 2 恒温槽安装简图 2 调节温度 调节马达和控温仪 使加热器开始工作 功率约为 1000 W 然后转动导电表上端磁 铁使温度指示在所需温度 30 oC 恒温槽的温度由数字式温度 压力计读出 反复调节 直至温度恒定在所需控制的温度为止 这时将导电表上端磁铁旁的螺钉拧紧 3 调节 JDW 3F 型精密温差测量仪 按所需温度范围调节 JDW 3F 型精密温差测量仪 安装在数字式温度 压力计旁 4 测定灵敏度 当电阻丝加热器的加热系统向周围环境散热达到平衡时 温度即保持恒定 加热器 功率过大或过小都会造成系统温度不易控制 所以选择适当的加热功率非常关键 调 节 按扭 543 220V电源 67 控制接触 2 导电表 1 12 13 由于散热和控温延迟 搅拌不均匀等原因 水浴温度不可能固定在所选定的温度上 必然会有微小的波动 评价恒温槽性能的好坏一般用灵敏度表示 灵敏度好的恒温槽 要求温度变化幅度小 变化时间短 恒温槽恒温的好坏 灵敏度的高低可以通过灵敏度 曲线来确定 灵敏度的计算用曲线的波峰与波谷的平均值按下式计算 tF 土 波峰平均值 波谷平均值 2 灵敏度曲线的绘制方法如下 1 将恒温槽准确调至所需温度 2 每隔 30 秒记录一次浴槽温度 从温差仪读取 共记录 40 个数据 3 根据所测 40 个数据 以温度为纵轴 时间为横轴绘制曲线 即灵敏度曲线 4 根据以上所做分析结果 改变恒温温度 重复第 1 2 3 步 5 重复第 4 步 五 数据处理数据处理 a 按每次控温条件将 50 个点的温度及时间数据列于表一中 表一 温度及时间数据表 室温 控温 电压或功率 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 时间 s 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 温度 OC 编号 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 时间 s 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 温度 OC 编号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 时间 s 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 温度 OC 编号 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 时间 s 930 960 990 1020 1050 1080 11101140 1170 1200 温度 OC 编号 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 时间 s 1230126012901320 1350 1380 14101440 1470 1500 温度 OC b 根据所测得数据绘制恒温槽的灵敏曲线 并标明测量条件 c 计算恒温槽灵敏度 六 思考题 六 思考题 1 简述用水银导电表达到控温的原理 2 根据实验 说明恒温槽要具有良好的恒温性能 应如何对待加热与冷却的关系 3 影响恒温槽灵敏度的主要因素有哪些 附录一 附录一 NTS 2A 型数字式温度和压力计使用说明 1 主要技术指标 电源电压 200 V 240 V 50Hz 环境温度 10 oC 40 oC 显示 4 位半 温度 3 位半 压力 量程 0 9 oC 温度 101 3 kPa 0 kPa 相对当前压力 分辨率 0 01 oC 温度 0 1 kPa 压力 2 注意事项 1 将仪器放置在空气流动较小的不易受干扰的地方 2 打开电源开关 预热 15 分钟 3 仪器内有标定按钮 不要轻易调节 附录二 附录二 JDW 3F 型精密温差测量仪使用说明 1 主要技术指标 电源电压 190 V 240 V 50Hz 环境温度 10 oC 40 oC 测量温差 40 oC 稳定度 0 001 oC 0 001 oC 测量温差的温度范围 20 oC 80 oC 2 面板及接线 仪器面板示意图见图 1 3 见下 其中钮子开关用来控制内制蜂鸣器的鸣叫 传感 线接入口为非拆卸式 与仪器为一个整体 以保证测量精度 后面板示意如图 1 4 所示 图 1 3 仪器面板示意图 oC 温差显示 窗口 置零 传感器 报时 钮 子 开关 报时指 示灯 置零 按钮 14 图 1 4 仪器后面板示意图 3 标准 RS 232C 接口 可选 波特率 9600 校验位 无 每 1 3 秒输出 HEX 数据 D1 D2 D3 D4 D5 其中 D1 EB 同步字 D2 90 同步字 D3 温度值低字节 D4 温度值高字节 最高位为符号位 D5 D1xorD2xorD3xorD4 校验字节 温度值单位为 0 001 oC 如超量程则输出值为 土 2000 4 使用方法 1 将探头插入恒温槽中 2 插上电源插头 打开电源开关 4 位半 LED 显示即亮 预热 5 分钟显示数值为一 任意值 3 待显示数据稳定后 按下 设定 按键并保持约两秒 参考值T0 自动设定在 0 000 度附近 4 改变槽内温度 等槽内温度恒定后读出温度值T1 便可得 T T1 T0 若设定T0 0 000 度 则 T T1 5 每隔 30 秒 面板上的红色指示灯闪烁一次 同时蜂鸣器鸣叫 1 秒 以便使用者 读数 面板上钮子开关拨向上方 蜂鸣器鸣叫 反之 蜂鸣器不再鸣叫 6 在预热和按下 设定 键时 可能遇到仪器自动换挡的情况 稍等待即可 此 外 为保证仪器精度和跟踪范围 每次测量的初值温度T0应为 0 000 oC左右 亦可保证在 10 oC 10 oC之间 否则应按第 3 步做清零处理 O O O O O串 行 通 讯口 电源插座及 保险丝座 电 源 开关 15 实验三 纯液体饱和蒸气压的测定 实验三 纯液体饱和蒸气压的测定 一 目的要求一 目的要求 1 明确液体饱和蒸气压的概念 了解纯液体饱和蒸气压与温度的关系 克劳修斯 克拉佩龙方程式 2 掌握用平衡管法测定不同温度下乙醇饱和蒸气压的方法 并求其平均摩尔蒸发焓 和正常沸点 二 基本原理二 基本原理 在一定温度下 气液平衡时的蒸汽压叫做饱和蒸气压 简称蒸气压 纯液体的饱和 蒸气压只是温度的函数 温度升高 其饱和蒸气压会增大 当饱和蒸气压等于外压时 该液体开始沸腾 本实验就是测定一系列不同温度下乙醇的饱和蒸气压 在某一温度下 1 摩尔液体转化为蒸汽的焓变为该液体在该温度下的摩尔蒸发焓 vHm vHm随温度而变化 蒸气压随温度的变化率服从克拉佩龙方程 mlmg mv VVT H dT dp 3 1 式中 vHm为摩尔蒸发焓 Vmg为气体的摩尔体积 VmL为液体的摩尔体积 若把气体看作理想气体 和气体的体积相比较 液体的体积可以忽略 则 3 1 式 可变换为 2 ln RT H dT pd mv 3 2 上式称为克劳修斯 克拉佩龙方程式 若在不大的温度间隔内 摩尔蒸发焓可以近似 地看作常数 则上式积分可得 21 12 1 2 ln TT TT R H p p mv 3 3 或 B RT H p mv ln 3 4 B T A p ln 3 5 式中R为摩尔气体常数 B微积分常数 A vHm R 由 3 5 式可知 lnp与 1 T是直 线关系 直线的斜率为 A 若能得到直线的斜率 则由 A vHm R 可求出平均摩尔蒸 发焓 vHm 16 测定纯液体饱和蒸气压的常用方法有两种 1 动态法 其中常用的有饱和气流法 即使一定量的干燥惰性气体通过被测液体 并且使气体为液体的蒸气所饱和 再用某些物质将气流中的蒸气完全吸收 然后称量吸 收物质的重量 从而求出该液体的蒸气压 2 静态法 把待测物质放在一个待测体系中 在不同温度下直接测量蒸气压或在不 同外压下测定不同气体的沸点 本实验采用静态法 具体的是采用平衡管法 该法所用仪器如图 3 1 所示 图中 4 是平衡管 在平衡管上接一冷凝管 3 以橡胶管 5 与 T 型管相连 T 型管另外两接头与数 字式温度压力计的压力计和减压系统相连 平衡管 A 球内装待测液体 当 A 球的液面上 图 3 1 纯液体饱和蒸气压测定装置 1 盛水大烧杯 2 测定温度探头 3 冷凝管 4 平衡管 5 6 7 橡胶管 8 进气活塞 9 抽气 活塞 10 缓冲瓶 11 T 型管 12 数字式温度压力计 注 数字式温度压力计可测定温度和与大气的压差 测定温度有一探头 测定压差 要连接到表头后边的孔上 注 数字式温度压力计可测定温度和与大气的压差 测定温度有一探头 测定压差 要连接到表头后边的孔上 纯粹是待测液体的蒸气 且 B 管与 C 管的液面处于同一水平面时 则表示 B 管液面上的 蒸气压 即 A 球液面上的蒸气压 与加在 C 管液面上的外压相等 此时 体系气液两相 平衡 该温度即为液体在此外压下的沸点 当时大气压力与压力计读数 压差 p 的代数 和 即为该温度下液体的饱和蒸气压 当外压等于 101 325 kPa 时 液体的沸点叫做该液 体的正常沸点 三 仪器和试剂三 仪器和试剂 1 仪器 纯液体蒸气压测定装置一套 1000 W 电炉 1 个 电动搅拌器 1 个 数字 式温度压力计 1 台 或数字式温度计与数字式压力计各 1 台 精密数字式温度压 力计 公用 1 台 2 试剂 无水乙醇 A R 四 实验步骤四 实验步骤 1 记录室温及大气压 见精密数字式温度压力计 按图装置好整套仪器 使所有接 17 18 口处严密 必须加蒸馏水使平衡管全部没入水中 平衡管中装乙醇的办法 将平衡管洗净烘干 然后用电吹风 热风 烘烤 A 球 将 其内部空气赶出 迅速把管口插入盛有乙醇的锥形瓶中 冷却 A 球 乙醇就会被吸入 反复操作几次 使 A 球中装入 2 3 体积的乙醇为宜 此步教师已装好 同学不必再动 2 升温 接通电源加热水浴 开动搅拌器 调节搅拌速度 打开冷却水 注意节水 3 系统漏气检查 关闭活塞 8 打开活塞 9 使整个系统减压 当减压到一定值时 观 察数字式温度压力计 关闭活塞 9 如果在 5 分钟内读数没有变化 则表明系统不漏气 若有变化 则需查出漏气处 使装置严密 直至不漏气为止 此步在教师要求做时再进 行 否则不必检漏 注意 真空泵教师己开启 减压总管己为负压 若要关闭真空泵 一定要先缓慢打开活塞使减压总管充压到大气压 才可以关闭真空泵 否则泵油会倒灌 入抽气瓶 4 测大气压下沸点 缓慢打开活塞 8 使体系与大气相通 随着水浴温度的升高平 衡管中开始有气泡产生 表明空气开始被排出 至水浴温度达 76 左右时关闭电炉 关 闭电炉后水浴温度会继续上升到最高温度 然后下降 C 管中这时会有大量气泡冒出 空气随之被赶净 由于室温低于水浴温度 随着搅拌 水浴的温度会下降 温度降至一 定程度 C 管中气泡开始消失 管内液面开始下降 而 B 管液面开始上升 这时要注意 观察 当两管液面一旦达到等高时 记录此时的温度 t 重新加热水浴 重复以上步骤 再测两次大气压下的沸点 若三次结果一致 就可以进行下一步的实验 5 大气压下的实验做完后 为防止空气倒灌入 A 球 这点十分重要 否则将延长实 验时间 迅速关闭活塞 8 打开活塞 9 使体系减压 6 7 kPa 时关闭活塞 9 这时液体 重新沸腾 让水浴继续冷却 在 B 管的液面与 C 管的液面等高前 记录数字式温度压力 计的压力读数 p 在平衡管的 B 管的液面与 C 管的液面等高时 记录水浴温度 t 再迅速打开活塞 9 使体系再减压约 6 7 kPa 同上 记录实验数据 然后继续降压 每次减压约 6 7 kPa 测定 8 组实验数据 如果发生空气倒灌入 A 球 则应将水浴稍加热 使乙醇沸腾 2 3 分钟 以赶尽倒灌 的空气 方能继续进行实验 6 实验完毕后 缓慢打开活塞 8 停止搅拌 关掉冷却水 7 再读一次大气压和室温 五 数据处理五 数据处理 1 数据记录 1 记录实验前后实验室的室温及大气压 2 记录数字式温度压力计的读数 t 和 p 2 数据处理 1 计算 T 1 T p lnp 等值 2 作 p T 图 计算出乙醇的正常沸点 3 作lnp 1 T图 求出此直线的斜率 A 由此斜率求出乙醇在此温度区间的平均 摩尔蒸发焓 vHm 4 数据记录如表 3 1 19 表 3 1 实验数据记录表 室温 前 后 平均 大气压 前 后 平均 kPa 序号 温度 压力 t T K 1 T p kPa p kPa ln p 1 2 3 0 0 0 4 5 6 7 8 9 10 11 六 思考题六 思考题 1 说明饱和蒸气压 沸腾温度和正常沸点的含义 2 克 克方程在什么条件下方能使用 为何本实验测得的只是平均蒸发焓 3 数字式温度压力计的读数精确到 kPa 附录一 附录一 旋片式真空泵 一 基本原理 2XZ 型旋片式真空泵采用双级高速直联结构 由偏心装在转子腔内的转子带动转子槽 内的旋片 借离心力和旋片弹簧的弹力 紧贴缸壁 把进排气分隔开 并使进气腔容积 周期性的扩大而吸气 排气容积周期性地缩小而压缩气体 借压缩气体的压力推开排气 阀片而排气 从而获得真空 此泵由两个单级串联而成 进口压力高时 两级可同时排 气 进口压力低时 气体由高级排入低级 然后再排刚才到泵外 该泵具有体积小 质量轻 噪音低 启动方便等优点 二 使用注意事项 1 泵在环境温度 5 40 范围内 进气口压强小于 1 3 10 3 kPa的条件下允许长 期连续运转 被抽气体相对湿度大于 90 时 应开气镇阀 2 泵进气口连续接通大气时运转不得超过一分钟 3 泵不适用于对金属有腐蚀性的 对泵油起化学反应的 含有颗粒尘埃的气体以及 20 含氧过高的 有爆炸性的 有毒的气体 4 停止油泵运转前 应使泵与大气相通 以免泵油冲入系统 5 在泵工作过程中 实验室突然断电或停电 此时应迅速打开抽气气瓶的放空活塞 以免真空油被压入抽气瓶及造成系统污染并影响泵的正常工作 附录二附录二 饱和蒸气压作图的基本要求 要用坐标纸画图 图要有题标 写于图下边 要标出坐标的物理量字母 单位 最好选 1 2 5 的倍数 不宜选 4 8 的倍数 不可选 3 6 7 9 的倍数 刻度代表的数字要均匀适当标注 要适当选择刻度大小 尽可能使线条与坐标成 45 0角 可参见图书馆化工学报等杂志 21 实验六实验六 原电池电动势的测定原电池电动势的测定 一 实验目的一 实验目的 1 掌握 SDC II 型数字式电子电位差计的使用 2 测定 Cu Zn Cu 甘汞等电池的电动势 3 加深理解可逆电池 可逆电极 盐桥 电极电势 标准电极电势 误差计算等概 念 4 了解浓度对电池电动势的影响 二 基本原理二 基本原理 可逆电池电动势的测定在物理化学实验中占有重要地位 应用十分广泛 如平衡常 数 电解质溶液的活度系数 pH 值 离解常数 溶解度以及某些热力学函数的改变量等 均可通过电动势的测定来求得 电池电动势不能用伏特计测量 因为电池与伏特计联接后有电流流过 这样会使电 池发生化学变化 电极极化 溶液浓度改变等 从而使电动势变化和不稳定 另外 电 池本身有内阻 故用伏特计量得的仅是电池的外电压 利用对消法 即补偿法 可以使 电池在无电流 或极微弱电流 通过的条件下测得两极间的电势差 这时电池反应是在 接近可逆条件下进行的 这一电势差即为该电池的平衡电动势 对消法的原理示意图如图 6 1 所示 Ew R C C A B ES G K EX 图 6 1 对消法测定原电池电动势原理图 图中Ew为工作电源 它供给均匀电阻丝AB电流 在AB上产生均匀的电势降 被测 电池的阴极 正极 经过检流计G和工作电池的阴极相连 阳极经过开关K接到一个滑动 接头C上 这样就等于在被测电池Ex的外电路中加上了一个方向相同的电位差 它的大小 22 由C点的位置决定 变动滑动点C的位置就会找到这样一点 当开关K闭合时 检流计G 中无电流通过 此时电池的电动势恰好与AC段电阻丝上的电势差数量相等方向相同 为 了求得AC段电阻丝所代表的电势差 可换用标准电池与开关相连 标准电池的电动势Es是 已知并且保持恒定的 可根据温度计算和查表确定 用与上面相同的方法可以找到检流 计中无电流通过的另一点C AC 所代表的电势差就等于Es 因为电位差与电阻丝的长度 成正比 故被测电池的电动势 Ex Es AC AC 6 1 电池电动势是两极电势的代数和 当电极电势均以还原电势表示时 E E 电极 E 电极 6 2 以丹聂尔电池为例 Zn Zn2 a 1 Cu 2 a 2 Cu 负极反应 Zn Zn2 2e E 电极 E 锌电极 RT 2F ln 1 a锌离子 6 3 正极反应 Cu2 2e Cu E 电极 E 铜电极 RT 2F ln 1 a铜离子 6 4 电池反应 Zn Cu2 Cu Zn2 E E RT 2F ln a锌离子 a铜离子 6 5 式中E 锌电极和E 铜电极分别为铜电极和锌电极的标准电极电势 E 为 100 kPa下溶液中锌 离子的活度a锌离子和铜离子的活度a铜离子均等于 1 时的电池电动势 在电化学中 通常将氢气压力为 100 kPa 溶液中aH 为 1 时的电极电势规定为零 此氢电极称为标准氢电极 由于氢电极使用不便 一般常用另外一些制备工艺简单 易 于复制 电势稳定的电极作为参比电极来代替氢电极 常用的有甘汞电极和氯化银电极 等 这些电极和标准氢电极比较而得到电极电势已被精确测定 如饱和甘汞电极 25 时 的电极电势为 0 2415 伏 本实验是用饱和甘汞电极作为参比电极来测量铜电极和锌电极的电极电势 并将它 们组成原电池 测量其电动势 当甘汞电极作正极时 由 6 2 和 6 3 可以得到锌的标准电极电势 E 锌离子 E甘汞 E RT 2F ln 1 a锌离子 6 6 当甘汞电极作负极时 由 6 2 和 6 4 可以得到铜的标准电极电势 E 铜离子 E甘汞 E RT 2F ln 1 a铜离子 6 7 老式的 UJ 25 型电位差计是将 AB 段滑线电阻用一组可调旋钮电阻代替 孔示值为 电动势值 实验前将其用标准电池标定准确即可 实际测量中整个电路是由电位差计 检流计 工作电源以及标准电池或待测电池共同组成 SDC II 型数字式电子电位差计是新一代电位差计 它沿用了普通电位差计平衡法 测量原理 操作简单 精度高 该仪器采用了内置的可代替标准电池的精度极高的参考 电路集成块作比较电压 保留了平衡法测量电动势仪器的原貌 仪器线路设计采用全集 成器件 被测电动势与参考电压经过高精度的仪表放大器比较输出 达至平衡时即可知 被测电动势的大小 它的使用像万用表一样简单 使用时仪器用 内标 能自行根据温 度标定工作电流 测量电池电动势时只需要用旋钮将表右边平衡指示电流调到零 左边 示数即为所测电池的电动势 SDC II 型数字式电子电位差计也可采用标准电池外标 采零 是它们共同的标定回零开关 仪器的数字显示采用 6 位及 4 1 2 位两组高亮度 LED 具有清晰和亮度高的特点 三 仪器和试剂三 仪器和试剂 1 仪器 SDC II 型数字式电子电位差计一台 饱和甘汞电极 1 支 饱和 KCl 盐桥 1 支 50 mL 烧杯 5 个 锌片 铜片 抛光砂纸 滤纸若干 2 试剂 0 1000 0 0100 mol kg ZnSO4 溶液 0 1000 0 0100 mol kg CuSO4 溶液 饱和KCl溶液 四 实验步骤 四 实验步骤 1 记录室温 打开 SDC II 型数字式电子电位差计预热 1 分钟 标定旋钮旋到 内 标 用 1 00000 V 电压进行 采零 2 电极制备 先把锌片和铜片用抛光砂纸轻轻擦亮 去掉氧化层 然后用水 蒸馏水洗净 制成 极片待用 注意 每次使用前都要如此处理 3 半电池的制作 1 Zn ZnSO4 0 1000 mol kg Zn ZnSO4 0 0100 mol kg 半电池的制作 往两个 50 mL烧杯中分别加入 1 2 杯深 0 1000 mol kg和 0 0100 mol kg的ZnSO4 溶液 再将已经处理过的锌电极用对应溶液冲洗后用滤纸吸干再插入 挂在杯口边沿即可 2 Cu CuSO4 0 1000 mol kg Cu CuSO4 0 0100 mol kg 半电池的制作 制作过程与制锌电极相同 4 找到饱和 KCl 盐桥 饱和甘汞电极 把上述制备好的半电池按图 6 2 所示 组成 如下 5 种电池 接通导线进行电动势的测量 测量前若零点飘移 需要再次采零 使用 盐桥外表面要用滤纸吸干 图 6 2 电池结构 1 Zn ZnSO4 0 1000 mol kg 饱和甘汞电极 23 24 2 Zn ZnSO4 0 0100 mol kg 饱和甘汞电极 3 饱和甘汞电极 CuSO4 0 1000 mol kg Cu 4 饱和甘汞电极 CuSO4 0 0100 mol kg Cu 5 Zn ZnSO4 0 1000 mol kg CuSO4 0 0100 mol kg Cu 5 测量时调节左侧旋钮 使平衡电势指示孔 右侧 读数等于零或接近于零 待基本 稳定后记录仪器显示孔 左侧 的电动势数值即为所测电池的电动势 五 数据记录和处理 五 数据记录和处理 1 数据记录 记录室温和所测 5 个电池的电动势值 2 数据处理 1 按公式E 甘汞 0 2415 7 6 10 4 t 25 伏 计算室温下饱和甘汞电极的 电极电势 2 根据前 4 个电池所测得的电动势数据 并以饱和甘汞电极的电极电势 离子平 均活度系数及浓度数据分别计算出不同浓度时的Cu Zn实测标准电极电势 计算中 物 质的浓度用活度表示 其值认为不随温度而变化 如a锌离子 C锌离子 是离子的平均活 度系数 数值见表 6 1 表