凝固点降低测定摩尔质量.docx

实验7 凝固点降低法测定摩尔质量实验目的1、用凝固点降低法测定尿素的摩尔质量；2、学会用步冷曲线对溶液凝固点进行校正；3、通过本实验加深对稀溶液的依数性的认识。实验原理稀溶液具有依数性，凝固点降低是依数性的一种表现，它与溶液质量摩尔浓度的关系为：其中，为凝固点降低值，、分别为纯溶剂、溶液的凝固点，为溶液质量摩尔浓度，为凝固点降低常数，它只与所用溶剂的特性有关。如果稀溶液是由质量为的溶质溶于质量为的溶剂中而构成，则上式可写为：即 （*）式中： 溶剂的凝固点降低常数（单位为）； 溶质的摩尔质量（单位为）。如果已知溶液的值，则可通过实验测出溶液的凝固点降低值 ，利用上式即可求出溶质的摩尔质量。常用溶剂的值见下表。表1 常用溶剂的值溶 剂水苯萘环己烷樟脑环己醇273.15278.683353.440279.69451.90279.6941.8535.126.9420.037.739.3实验中，要测量溶剂和溶液的凝固点之差。对于纯溶剂如图1（a）所示，将溶剂逐渐降低至过冷（由于新相形成需要一定的能量，故结晶并不析出），温度降低至一定值时出现结晶，当晶体生成时，放出的热量使体系温度回升，而后温度保持相对恒定。对于纯溶剂来说，在一定压力下，凝固点是固定不变的，直到全部液体凝固成固体后才会下降。相对恒定的温度即为凝固点。对于溶液来说，除温度外还有溶液浓度的影响。当溶液温度回升后，由于不断析出溶剂晶体，所以溶液的浓度逐渐增大，凝固点会逐渐降低。因此，凝固点不是一个恒定的值。如把回升的最高点温度作为凝固点，这时由于已有溶剂晶体析出，所以溶液浓度已不是起始浓度，而大于起始浓度，这时的凝固点不是原浓度溶液的凝固点。要精确测量，应测出步冷曲线，按下一页图1（b）所示方法，外推至校正。图1 溶剂和溶液的步冷曲线实验用品数字温度计/温差计（-1212 ，0.002 ），冷阱，大试管，移液管（25 mL），磁力搅拌器，可制冷超级恒温槽（-20100 ）分析天平。去离子水，尿素（分析纯）。实验步骤1、仪器装置如下图所示，将恒温槽温度调至-6 左右，通入冷阱。在室温下，用移液管移取25 mL去离子水，加入大试管。调整数字温度计的测温探头，使探头顶端处于液体的中下部。调整磁力搅拌器转速旋钮至适当转速，保持恒定。2、溶剂凝固点的测定 观察温度计的变化，当温度降至1时，打开秒表，每半分钟记录一次温度。当温度降低到最低点后，温度开始回升，此时将记录时间改为10s一次，直到升至最高，在一段时间内恒定不变，此时温度即为溶剂的凝固点，记下温度值。取出大试管，不要使溶液溅到橡皮塞上。通过自然降温法（不用手温加热）晶体全部融化（注意不要使温度升高过多，避免以后实验的降温时间过长）。将大试管放回冷阱，重复上述操作。如此再重复两次，直到取得两个偏差不超过0.01 的值。取其平均值作为水的凝固点。3、溶液的凝固点测定 取出大试管，在管中加入0.4 g左右（准确到0.0002 g）的尿素，注意不要粘于管壁上（可先将尿素压成片）。拿掉磁力搅拌器上的冷阱，将大试管直接放在磁力搅拌器上搅拌至全部溶解，然后按装置图将一起装好。观察数字温度计，当温度计降至1时，设定温差计，半分钟记录一次温度值，当温度降至最低开始回升后（晶体析出），10s记录一个点，注意观察，将最高点温度记录下来（用此点估算尿素的摩尔质量）。此后再记录67个点，实验结束。结果与处理1. 原始实验数据1.1 原始实验相关数据记录表3 原始实验相关数据记录表名称去离子水凝固点（文献值）去离子水密度（g/ml）尿素摩尔质量（文献值）去离子水Kf值(Kkgmol-1)称取尿素的质量（g）数值0.0024C1.0060.061.8530.42791.2 原始实验测量数据（a）去离子水的冷却至凝固数据一时间（s）0306090120150180210温度()1.0340.9810.9230.8770.8300.7790.7340.686时间（s）240270300330360390420450温度()0.6410.5970.551 0.5100.4660.4290.3890.352时间（s）480510540570600630660690温度()0.3160.2780.2430.2060.1740.1420.1080.071时间（s）720750780810840870900930温度()0.0400.009-0.023-0.055-0.089-0.116-0.147-0.177时间（s）960990102010501080111011201130温度()-0.202-0.229-0.257-0.287-0.3110.1090.1180.121时间（s）11401150116011701180119012001210温度()0.1190.1210.1190.1210.1190.1190.1220.119时间（s）12201230124012501260127012801290温度()0.1220.1180.1170.1190.1180.1210.1220.120时间（s）13001310温度()0.1210.123（b）去离子水的冷却至凝固数据二时间（s）0306090120150180210温度()0.9950.874 0.7620.6690.5780.4400.3650.293时间（s）240270300330360390420450温度()0.2230.1830.1170.057-0.001-0.059-0.113-0.169时间（s）480510540570600630640650温度()-0.213-0.263-0.314-0.367-0.405-0.448-0.459-0.023时间（s）660670680690700710720730温度()0.0890.1130.1250.1210.1220.1230.1230.124时间（s）740750760770780790800810温度()0.1240.1250.1210.1240.1230.1260.1260.126时间（s）820830840850860870880890温度()0.1230.1240.1230.1220.1260.1230.1260.122（c）1.7116 mg/mL 的尿素溶液的冷却数据记录时间（s）0306090120150180210温度()1.0731.0130.9240.8280.7510.6900.5930.525时间（s）240270300330360390420450温度()0.4280.3770.3160.256 0.2000.1490.0980.020时间（s）480510540570600630660690温度()-0.031-0.099-0.112-0.189-0.274-0.310-0.333-0.352时间（s）720750780810840870900930温度()-0.485-0.530-0.550-0.579-0.660-0.697-0.736-0.813时间（s）960990102010501080111011401170温度()-0.853-0.892-0.928-0.962-1.020-1.017-1.071-1.134时间（s）12001230126012901300131013201330温度()-1.139-1.187-1.229-1.278-1.250-0.896-0.583-0.445时间（s）13401350136013701380139014001410温度()-0.398-0.384-0.376-0.374-0.374-0.372-0.371-0.364时间（s）14201430144014501460 147014801490温度()-0.364-0.362-0.361-0.363-0.358-0.355-0.355-0.355时间（s）15001510152015301540155015601570温度()-0.357-0.354-0.352-0.350-0.348-0.350-0.348-0.351时间（s）15801590160016101620163016401650温度()-0.347-0.348-0.343-0.349 -0.350-0.347-0.347-0.349时间（s）16601670168016901700171017201730温度()-0.346-0.347-0.350-0.350-0.346-0.345-0.348-0.349时间（s）1740175017601770178017901800温度()-0.347-0.345-0.347-0.347-0.350-0.347-0.3462. 试验数据拟合2.1 第一组去离子水凝固点数据拟合图像2.2 第二组去离子水凝固点数据拟合图像2.3 尿素溶液的凝固点数据拟合图像 本实验中H2O共测量三次凝固点，取两次有效测量，做图像分析，取平台时温度值作为凝固点，求其平均值，作为样本H2O的凝固点，结果记录如下。试验次序第一次第二次平均水凝固点/0.1200.1240.1223. 实验数据分析3.1 利用冷却曲线计算溶液的凝固点Tf利用Origin作图可得以下图像，上分析中已得出。在1400s后进入平台区，温度保持不变。故平台对应温度即试验测得尿素的凝固点Tf= -0.347。3.2 根据凝固点变化计算尿素的摩尔质量利用前述凝固点测定结果，可根据公式（*），即计算萘的摩尔质量。由已知： Tf = Tf* - Tf = 0.122 - (-0.347) = 0.469 = 0.469KmB = 0.4279g，mA = *V = 125.00 = 25.00g，Kf = 1.853 Kkgmol-1将以上数据代入前述计算公式，得尿素的摩尔质量为MB= 1.853*1000*0.4279/(0.469*25.00) = 67.6 g/moL讨论分析1. 测定数据处理结果的误差分析及其与文献值的比较测定去离子水凝固点的结果与文献值的比较由文献值可知，环己烷凝固点为0.00C，而本次实验中的最终结果为0.122C。将实验值与文献值进行比较可知：实验结果与文献值的相对误差 =0.122 0.000 =0.122。这一误差相对而言是比较大的，说明我们的测量和文献值有较大的偏差。2. 测定去离子水凝固点的测量误差分析测定去离子水的凝固点时，取平台上1130s-1310s内的数据进行误差分析可得：平均误差：，可得1 = 2.719 10-6标准误差：，可得 1= 1.648 10-3平均误差：，可得2 = 2.684 10-6标准误差：，可得 2= 1.638 10-3平均误差：，可得 = 2.7015 10-6标准误差：，可得 = 1.644 10-3因此测量结果精确度可用标准误差表示为：Tf*=0.1220.002 ()3. 测定尿素溶液凝固点的测量误差分析平均误差：，可得1 = 3.590 10-6标准误差：，可得 1= 1.895 10-3因此测量结果精确度可用标准误差表示为：Tf= -0.347 0.002()4. 测定去离子水凝固点过程中产生误差的可能原因及分析对去离子水的凝固点测量中，产生误差的可能原因如下：我们在测定过程中的每一次测定的条件可能不同，从而导致测定结果的误差较大。例如，测定时虽然我们十分注意仪器的装配，但如果大试管的管壁不慎碰到了冷阱，很有可能导致所测定的温度不准确。同时，中途改变过搅拌器的转速，磁力搅拌器的转速不均匀或者中途发生变化可能导致溶质结晶过程中各部分的热传导率等物理化学性质不均一，从而导致测量误差。测得的水的凝固点每次都高于0.00，故预测实验的仪器也可能存在系统误差。5. 测定尿素摩尔质量的结果与文献值的比较由文献值可知，尿素的摩尔质量为60.06gmol-1，而本次实验中根据测定数据计算出的最终结果为67.6 gmol-1。将实验值与文献值进行比较可知：实验结果的相对误差 = ( 67.6 60.06 )/ 60.06 )100%= 12.6 %。误差相对而言比较大。但明显得到了凝固点降低，并且稳定在恒定温度的现象。6. 测定尿素摩尔质量过程中的产生误差的可能原因及分析如前所述，实验结果与文献值相比偏大，这可能是由以下几个方面的因素造成的：6.1 数据处理中的近似：在推导摩尔质量的计算公式过程中，进行了必要的数学近似，例如认为纯溶剂的摩尔熔化焓是常数，Tf*Tf = (Tf)2等。在一般实验条件下，这些处理虽然不会对实验结果产生显著的影响，但是在测量过程较为精确时，则可能导致测量结果出现微小的偏大。6.2 实验条件的改变：在测量溶剂和溶液的凝固点的时候，实验条件很可能出现改变，这其中包括环境因素和人为因素的影响。比如环境温度的改变导致实验温度的改变，冷阱中循环液的温度不稳定也可能导致实验条件的变化。6.3 测量体系的改变：在实验数据的处理过程中认为测量体系的组成没有变化，但是在实际情况中，很可能由于操作原因改变测量体系的组成。具体而言，在加入尿素的时候可能会导致溶质有微量蒸发，或者在称取尿素的过程中出现的操作失误。这些改变可能使得体系中mA减小或者mB增大，从而使得实验结果偏大。6.4 测定仪器的误差：测量过程中，精密温度计的数值并不是很稳定，有时会出现波动现象。此外，在记录过程中，数据是人为判读和记录的，所以测定的温度值可能与实际有所差异。这样会导致根据测定数据所作的步冷曲线与实际曲线有所不同，也可能导致最后测量结果的误差。7. 考虑称量、移液和温度测量三项误差来源的误差计算若Y为间接测量值，Xk为直接测量值，则两者之间关系可以表示为：Y f(Xk) 结果的相对不确定度公式称量过程的误差为0.0002g，数字精密温度记测量误差为0.001，移液管误差为0.01ml，则有： ； 从而，称量、移液和温度测量三项误差来源的误差分别为0.000467，0.01067和0.00040。综合以上系统误差因素，得：MB67.6(10.0107)( 67.6 0.723) g/mol由结果可知，系统误差的主要来源是测温（0.01067）过程中所产生的误差。8. 对实验中异常现象的分析和讨论8.1 对溶剂去离子水凝固点测定中异常系统误差的分析综合各次对去离子水凝固点的测定结果，我们发现每一次测量误差的绝对值和符号总是使测量结果永远朝一个方向偏，由此推断在测定过程中存在系统误差。其分析如下：一方面，进行前两次测定时我们调整过磁力搅拌器的转速，可能使测量结果不准确，但在随后的四次测定中系统的配置没有过任何改变，因此最有可能的解释是搅拌器本身转速不稳定。另一方面，由于在随后的溶液凝固点测定过程中没有出现温度测定的异常情况，所以可以排除数字温度计出现故障的可能。此外，还有一种可能是我们所取的环己烷含有杂质。但是由于其他组没有出现相同的问题，所以可能是在向大试管转移液体的过程中引入杂质。最后，我们认为比较关键的原因是：我们组的实验位置距离恒温槽较近，因此在测量过程中，冷阱中循环水的温度很可能始终偏低，从而导致我们的测定结果始终向一个方向偏移。8.2 对溶剂去离子水步冷曲线中稳定温度的分析测定溶剂凝固点的过程中，实验的最后阶段应能够测得一个比较稳定温度值。但是在达到稳定之前，我们发现温度计的显示数值在很小的范围内（约0.002）会有短暂时间的波动，而且这种波动是无规律的。形成这个现象的可能原因有：当过冷液体刚刚开始结晶时，溶液处于两相共存的状态，但是由于搅拌不可能完全均匀，因此使得体系各个部分的温度和物理性质在不均匀的变化（特别是热传导性质和密度）。因此温度探头所接触部分的液体温度有可能产生无规则变化。试验结论本次实验通过凝固点降低法（贝克曼法）测定了萘的摩尔质量，测定结果汇总如下：去离子水纯溶剂凝固点： Tf*= 0.122 。尿素的去离子水溶液凝固点：Tf = -0.347 .尿素的摩尔质量： MB = 67.6 g/mol本实验的结果与文献值相比存在误差，证实了利用此方法测定摩尔质量的可行性与准确性。同时，本实验也验证了稀溶液依数性理论的正确性和实用性。在一定条件下，我们可以把较稀的溶液当作理想溶液来处理，利用其依数性测定有关的物理化学性质。而由此得到的结果和真实值的误差较小，在精确度要求不是非常高的情况上可以满足测定的要求。思考题：1. 实验中所配溶液浓度，太浓或太稀都会使实验结果产生较大的误差，为什么？答：在本次实验中，溶液的浓度应使得测定过程中有部分溶质凝固析出，但还有一部分剩余溶液，且其浓度应当保持在一定的值。因此，如果溶液太稀，可能在析出的时候会完全析出，从而使得测量的凝固点温度不准确。另