物理化学与胶体实验讲义(4个实验)(2010).pdf

实验 二 蔗糖的转化 一级反应实验 二 蔗糖的转化 一级反应 一 实验目的 1 根据物质的光学性质 用测定旋光度的方法测定蔗糖水溶液在酸催化作 用下的反应速率常数和半衰期 2 了解蔗糖转化反应体系中各物质浓度与旋光度之间的关系及一级反应 的动力学特征 3 了解旋光仪的基本原理 掌握其使用方法及在化学反应动力学测定中的 应用 二 基本原理 蔗糖转化的反应方程式为 C12H22O11 蔗糖 H2O C6H12O6 葡萄糖 C6H12O6 果糖 为使水解反应加速 常以酸为催化剂 故反应在酸性介质中进行 此反应 本是二级反应 由于反应中水是大量的 可以认为整个反应中水的浓度基本是恒 定的 而 H 是催化剂 其浓度也是固定的 所以 此反应可视为假一级反应 反 应速率只与蔗糖浓度成正比 蔗糖及水解产物均为旋光性物质 但它们的旋光能力不同 故可以利用体系 在反应过程中旋光度的变化来衡量反应的进程 溶液的旋光度与溶液中所含旋光 物质的种类 浓度 溶剂的性质 液层厚度 光源波长及温度等因素有关 在其 它条件固定时 旋光度 与反应物浓度有直线关系 即 KC 17 1 式中的比例常数 K 与物质的旋光能力 溶液性质 溶液厚度 温度等均有关 在蔗糖的水解反应中 反应物蔗糖是右旋性物质 比旋光度 20 D 66 6 产 物中的葡萄糖也是右旋性物质 20 D 52 5 但产物中的果糖是左旋性物质 20 D 91 9 因此随着水解作用的进行 右旋角不断减小 最后经过零点变成 左旋 并且溶液的旋光度为各组成的旋光度之和 若反应时间为 0 t 时溶液 的旋光度分别用 0 t 表示 则 0 K反C0 17 2 t K生C 17 3 式中 K反 和 K生 分别为反应物与生成物的比例常数 C0 为作用物的最初浓度 C 是生成物最终之浓度 当 t t 时 蔗糖的浓度为 C 旋光度为 t t K反C K生 C0 C 17 4 由式 17 2 17 3 和 17 4 得 0 0 0 K KK C 生反 17 5 0 t t K KK C 生反 17 6 将式 17 5 和 17 6 代入一级反应的积分式 可得 17 7 即 17 8 若以 log t 对 t 作图 从直线的斜率即可求得反应速率常数 k 进而可求 得半衰期 t1 2 ln2 k 三 仪器及试剂 1 仪器 数字式旋光仪 1 台 恒温装置 1 套 25 ml 移液管 2 支 100 ml 磨口锥形瓶 3 只 100 ml 量筒 洗耳球 1 只 停表 1 块 台称 1 台 2 药品 蔗糖 AR 3 mol dm 3 H2SO4 四 操作步骤 1 控制恒温水浴的温度恒定 开启旋光仪预热半小时 2 旋光仪零点的校正 洗净旋光管 将管子一端的盖子旋紧 向管内注入 蒸馏水 把玻璃片盖好 使管内无气泡存在 旋光管的结构如图 17 1 所示 再 t k t 0 0 ln 1 log 303 2 log 0 t k t 旋紧套盖 勿使漏水 管中如有气泡 可赶至胖肚部分 用吸水纸擦净旋光管 再用擦镜纸将管两端的玻璃片擦净 将旋光管放置到旋光仪中进行零点校正 旋 光仪的使用方法详见本丛书第一分册仪器部分 4 2 1 3 图 17 1 旋光管的构造 1 螺丝帽盖 2 橡皮垫圈 3 玻璃窗片 4 样品管 3 旋光度的测定 称取 10 g 的蔗糖溶于 50 ml 蒸馏水中 若溶液浑浊应 过滤 用移液管各取 3 mol dm 3 H2SO4溶液和蔗糖溶液 25 ml 分别置于 100 ml 的锥形瓶中 放入恒温水浴恒温 10 分钟后取出 将 H2SO4 溶液倒入蔗糖中振 荡 开始记时 立即倒回盛 H2SO4 溶液的瓶中 再振荡 同时用此混合液少 许 洗旋光管 2 3 次后 装满旋光管 用滤纸或毛巾擦净管外的溶液后 尽快 放入旋光仪中进行观察测量 每测好一次旋光角后 立即将旋光管放入恒温水浴 中恒温 4 测量不同时间 t 时溶液的旋光度 t 由于 t随时间不断地改变 因此找 平衡点和读数均要熟练迅速 寻找到平衡点立即记下时间 t 再读取旋光角 t 为了多读一些数据 以清除一些偶然误差 在开始 15 分钟内最好每分钟记录一 次读数 以后测量的时间间隔可适当加长 一直测到旋光角由右旋变到左旋为止 5 的测定 将上述剩余的蔗糖和硫酸的等体积混合液置于 55 65 水浴上温热 1 小时以上 然后冷却至原实验温度 再测此溶液的旋光度 即为 值 6 将恒温槽调节到另一温度恒温 按实验步骤 3 4 5 测定该温度时的体 系的旋光度随反应时间的关系 五 结果与讨论 1 列出 t t 表 并作出相应的 t 对 t 图 2 从 t 对 t 图曲线上 读出等间隔时间 t 如每间隔 5 分钟 时的旋光角 t 并算出 t 和 log t 之数值 3 以 log t 对 t 作图 由图的形状判断反应的级数 由直线的斜率求 反应速率常数 k 并由 k 值计算其半衰期 t1 2 4 根据两个不同温度下测得的反应速率常数 由 Arrhenius 公式计算反应的 表观活化能 5 蔗糖水解反应的速率 除与蔗糖的浓度 水的浓度和温度有关外 还与 催化剂 H 的浓度有关 若要考虑 H 对反应速度的影响 可由 k k0 H KC n H 通过作图法求出酸催化速率常数 H K 和 H 的反应级数 n 式中 k0为 0CH 时的反应速率常数 k 为蔗糖水解反应的表观速度常数 六 注意事项 1 由于酸会腐蚀旋光仪的金属套 因此 实验一结束 必须将旋光仪擦干 净 2 装样品时 旋光管管盖旋至不漏液体即可 不要用力过猛 以免压碎玻 璃片 3 在测定 时 通过加热使反应速度加快转化完全 但加热温度不要过高 否则将产生副反应 颜色变黄 加热过程亦应避免溶液蒸发影响浓度 否则影响 测定的准确性 七 思考题 1 蔗糖的转化速率与哪些因素有关 2 实验中 为什么用蒸馏水来校正旋光仪的零点 若不进行校正 对实验 结果是否有影响 3 蔗糖溶液为什么可粗略配制 4 在测量蔗糖和硫酸溶液时刻t对应的旋光度时 能否如同测纯水的旋光 度那样 重复测三次后 取平均值 5 在混合蔗糖溶液和硫酸溶液时 是将硫酸溶液加入到蔗糖溶液中 可否 把蔗糖溶液加到硫酸溶液中 为什么 八 参考文献 1 刁国旺 阚锦晴 刘天晴编著 物理化学实验 北京 兵器工业出版社 1993 p137 2 北京大学化学系物理化学教研室 物理化学实验 修订本 北京 北京 大学出版社 1985 p120 3 Daniels F et al Experimental Physical Chemistry 6th Ed New York McGraw Hill Book Co Inc 1962 p193 4 王琪编著 化学动力学导论 长春 吉林人民出版社 1982 p76 5 李长胜 陈建华 李宗清 旋光仪的灵敏度 化学通报 1993 6 45 九 e 网连接 1 2 3 4 http 202 192 168 54 wulihuaxue wuhuashiyan index htm 5 实验三 乙酸电离常数的测定 I 电导法 一 实验目的 1 掌握电导测量的原理和方法 2 学会使用 DDS 11A 型电导率仪 及测定乙酸电离平衡常数的方法 二 基本原理 AB 型 如 HAc 弱电解质在溶液中的电离达到平衡时 其电离平衡常数 Kc 与浓度 c 电离度 c 之间有如下的关系 5 1 在一定温度下 KC是常数 因此可以通过测定 AB 型弱电解质在不同浓度时 的 c 代入式 5 1 就可以求出 KC 醋酸溶液的电离度可用电导法测定 溶液的电导用电导率仪测定 对于弱 电解质 电离度 c 等于浓度为 c 时的摩尔电导 m 和溶液在无限稀释时的摩尔 电导 m 之比 即 5 2 将式 5 2 代入式 5 1 5 3 5 4 5 5 以 对 c 作图应为一直线 其斜率为 2 mc K 截距为 mc K 根据斜率 和截距可算出 c K 和 m m m c c c c c c K 1 2 0 2 0 mmm m c c c K c m mcmc K c K 2 三 仪器及试剂 仪器 恒温装置 1套 DDS 11A 型电导率仪 电导电极 电导池 移液管 25 ml 5 ml 和 1 ml 各 1支 容量瓶 50 ml 5 只 250 ml烧杯1只 洗 耳球1只 药品 0 0100 mol dm 3 KCl溶液 0 1000 mol dm 3 HAc 溶液 电导水 四 操作步骤 1 调节恒温槽温度为 25 0 1 2 配制溶液 准确配制浓度为 0 050 0 010 0 0050 0 0010 和 0 0005 mol dm 3 的HAc溶液 3 测定电导池常数 Kcell 倾去电导池中的纯水 为防止电导电极干燥后吸 附杂质 及干燥后的电极浸入溶液时表面不易完全浸润引起气泡 造成表面积发 生变化等而影响测量结果 常将电导电极浸在电导池内的纯水中 然后用少量 的 0 0100 mol dm 3 KCl 溶液洗涤电导池和电导电极三次 加入 0 0100 mol dm 3 KCl 溶液 使液面超过电极铂片 1 2 cm 再移入 25 0 1 0C恒温槽中恒温 5 10 分钟后用电导仪测量 DDS 11A 型电导率仪的使用方法详见本丛书第一分 册仪器部分 测量时 将 DDS 11A 型电导率仪 高低周 档开关置 高周 档 把量程开关扳至103 红线处 将 测量 校正 开关扳至 测量 位置 把 电极常数 旋钮调至 1 0 位置 调节 调正 器使指针指在 1 41 处 下 刻度的红字读数 再把 测量 校正 开关扳至 校正 位置 并调节 电极 常数 旋钮使电表指示于满度 此时 电极常数 旋钮所指示的读数即为该电极 的电极常数 每一小格为 0 02 4 测定乙酸溶液的电导率 倒去 KCl 溶液 用电导水充分洗净电导池及电 导电极 再用少量 0 0005 mol dm 3 HAc 溶液洗涤电导池和电导电极三次 将电 极常数调节旋钮调到与电极常数相对应的位置上 将校正测量开关置于 校正 调整校正调节器使表针在满刻度 注意 为了提高精度 测定时 须对仪器经常 进行校正 将电极浸入0 0005 mol dm 3 HAc 溶液中 将 校正 测量 开关置 于 测量 将量程开关由大到小逐渐调节 直至所需测量范围 指针指示数乘 以量程开关倍率即为被测溶液的实际电导率 数据记入表5 1中 重复测量两次 一并记入表5 1中 取三次测量值的平均值作为该浓度HAc的电导率 同样方 法 由稀到浓分别测定 0 0010 0 0050 0 0500 和0 100 mol dm 3 的HAc溶液 的电导率 一并记入表5 1 表5 1 25oC不同HAc浓度时的电导率 c mol dm 3 测量值 平均值 c Kc m 0 0005 0 0010 0 0050 0 0100 0 0500 0 100 5 同法测定电导水的电导率 重复测定三次 以校正电导水对溶液电导率 的影响 6 将恒温槽温度调至35 0 1oC 同法测量不同浓度HAc的电导率 列于表 5 2 表5 2 35oC不同HAc浓度时的电导率 c mol dm 3 测量值 平均值 c Kc m 0 0005 0 0010 0 0050 0 0100 0 0500 0 100 7 实验结束后 先关闭各仪器的电源 用蒸馏水充分冲洗电导池和电极 并将电极浸入蒸馏水中备用 五 结果与讨论 1 计算 c 并列于表5 1和5 2中 2 以 对 c 作图 根据斜率和截距计算不同温度下的 C K 和 m 3 计算HAc电离反应的活化能 六 注意事项 1 为了提高实验精度 实验中的一切操作都必须采用电导水 常用的电导 水是用离子交换树脂来制备的 为了除去其中的 CO2 要通入氮气几分种 2 实验过程中严禁用手触及电导池内壁和电极 3 溶液的电导率对溶液的浓度很敏感 在测定前 一定要用被测溶液多次 荡洗电导池和电极 以保证被测溶液的浓度与容量瓶中溶液的浓度一致 4 离子的极限摩尔电导率与温度有关 通常温度每升高一度 电导率增加 2 2 5 因此测量前溶液要充分恒温 H Ac 的极限摩尔电导率与温度的关 系为 25 01385 01 1082 349 412 tmolmS Hm 25 0238 01 109 40 412 tmolmS Acm 由上式可计算任何温度下HAc的 m 值 七 思考题 1 测定电解质溶液的电导 为什么一般用交流电而不用直流电 2 若实验过程中 电导池常数发生改变 它对 HAc 的电离常数有何影响 3 将实验测定的Kc值与文献值比较 试述误差的主要来源 八 参考文献 1 傅献彩 沈文霞 姚文扬 物理化学 第四版 下册 北京 高等教育 出版社 1990 p522 2 孙尔康等 物理化学实验 南京 南京大学出版社 1999 p76 3 杨百勤主编 物理化学实验 北京 化学工业出版社 2001 p68 九 e网连接 1 2 3 实验四 胶体电泳 一 实验目的 1 观察溶胶的电泳现象 掌握电泳法测定胶体粒子的电泳速度和 电势的 方法 2 通过查阅文献资料了解Fe OH 3胶体制备和纯化的方法 二 基本原理 溶胶是一个高度分散的多相体系 由于其选择性地吸附一定量的离子以及其 它原因所致 胶粒表面带有一定量的电荷 胶粒周围的介质分布着带有相反电荷 的离子 反离子 并且整个溶胶体系保持电中性 胶粒周围的反离子由于静电 引力和热扩散运动的结果形成了双电层 即紧密层和扩散层 紧密层约有一两个 分子厚 紧密吸附在胶核表面上 而扩散层的厚度则随外界条件而改变 扩散层 中的反离子符合玻尔兹曼分布 在电场的作用下 紧密层和胶粒作为一个整体移 动 而扩散层中的反离子则向相反的方向移动 这种在电场作用下分散相粒子相 对于分散介质的运动称为电泳 发生相对移动的界面称为滑动面 滑动面与本体 溶液的电位差称为电动电势或 电势 电势是表征胶粒特性的重要物理量之一 在研究胶体性质及实际应用中 起着重要的作用 电势的大小 反映了胶粒带电的程度 电势越高 表明胶 粒带电越多 扩散层越厚 电势的数值随外加电解质浓度变化而发生改变 电解质浓度加大时 使扩散层变薄 从而 电势减小 甚至变为零或改变符号 同时 电势还与胶体粒子性质 介质成分及溶胶浓度等因素有关 根据双电层理论 人们导出了电泳的 电势表达式为 E 4 23 1 式 23 1 中 SI单位 kg m 1 s 1 是介质的粘度 其数值随温度的变化而 变化 对于水而言 值随温度的变化如表23 1所示 SI单位 m s 1 是 胶粒电泳的相对移动速度 E SI单位 V m 1 是单位长度上的电位差 即施加 在胶体体系上的电场强度 SI单位 C V 1 m 1 是介质的介电常数 对水而 言 介电常数可由下式求得 11911 C V m8 89 104 44 10273 15T 23 2 表 23 1 不同温度下水的粘度 3 1 1 10 kg m s T K 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 1 053 1 027 1 002 0 97790 95480 93250 91110 8904 0 8705 0 8513 T K 301 302 303 304 305 306 307 308 313 318 0 8327 0 8148 0 7975 0 78080 76470 74910 73400 7194 0 6529 0 5960 本实验中 电泳的速度 可以通过测量在时间t内电泳管中胶体溶液界面 在电场作用下移动的距离l 由公式l t 求出 电位梯度E可以通过测量施加 在相距为L的两电极之间的电压U 然后由公式EU L 求出 因此 式 23 1 可以写成 LU tl 4 23 3 式 23 3 中 l t U和L的值均可由实验测出 和 可分别由公式 23 2 和表23 1得到 因此 根据公式 23 3 可以求出胶体粒子的 电势 三 仪器及试剂 仪器 0 250 V直流稳压电源 1台 秒表 1只 铂电极 2支 电泳 仪 万用电表 试剂 待测Fe OH 3溶胶 预先制备并纯化 辅助电解质0 0001 mol L 1的 HCl 电泳仪的结构如图 23 1 所示 管 1 上有刻度可以观察溶胶界面移动的距离 管上方用带有活塞 4 的横管相连接 使装入溶胶后液面能保持水平 上端的弯管 5 是装辅助电解液和插电极用的 U 形管中部的活塞 2 和 3 的孔径等于 U 形管的 内径 四 操作步骤 1 检查电泳仪的活塞处是否有渗漏或转动不灵活现象 如有必须用凡士林 涂抹加以消除 2 将电泳仪先用蒸馏水洗净 然后用渗析过的Fe OH 3溶胶洗三次 装溶 胶至活塞2和3以上 关闭活塞2和3 关闭活塞2和3时 应注意活塞上 下 不能有气泡 将活塞2和3上部的溶胶倒掉 打开活塞4 顺序用蒸馏水及辅助 电解质溶液洗涤电泳仪三次 然后装放辅助电解质溶液至支管口 把电泳仪垂直 固定在铁架上 并使电泳仪管的刻度面向着实验者 在两个支管中分别插好铂电 极 并用导线将两个铂电极与稳压电源的输出端相连 然后关闭活塞4 再小心 地打开活塞2和3 打开活塞2和3时切勿振动溶胶与辅助电解质间的界面 3 经检查电路无误后再接通电源 调节工作电压至150 250 V之间的某一 固定值 观察界面移动的方向 根据电极的正负性确定Fe OH 3溶体粒子所带电 图 23 1 电泳仪 1 刻度管 2 3 4 活塞 5 弯管 1 5 3 2 4 荷的符号 4 当Fe OH 3溶胶的液面上升到某一清晰易读的刻度时 开启秒表开始记 时 以后准确记录胶体液面每上升0 2 cm所需要的时间t 连续记录8 10组数 据 在此过程中 用万用电表准确测量两电极之间的电压值U 4 实验结束后 先切断电源 然后用细铁丝和直尺配合测量出两个铂电极 之间的距离L 5 将电泳管中的Fe OH 3溶胶回收 并将电泳管洗净后 加入稀HCl浸泡 五 结果与讨论 1 根据电极的正负和胶体移动的方向 确定Fe OH 3胶体粒子所带电荷的 符号 2 由记录的Fe OH 3胶体