物理化学实验讲义上.doc

实验一 超级恒温水浴与其性能测定一、实验目的1.了解超级恒温水浴的构造及恒温原理，初步掌握超级恒温水浴的装配、调节和使用。2.绘制超级恒温水浴的灵敏度曲线（温度时间曲线）。二、实验原理在科学研究及物理化学实验中所测的数据，如折射率、粘度、表面张力、电导、化学反应速率常数等都与温度有关，因此须在恒温条件下测定。恒温就是使温度在很小范围（实验室内一般为0.1）内波动。通常用超级恒温水浴来控制温度维持恒温。要使恒温设备维持在高于室温的某一温度，就必须不断地补充一定的热量，使由于散热等原因所引起的热损失得到了补偿。不锈钢水浴箱、温度传感器、控温机箱（常用电子继电器）、电子加热器、搅拌器等组成。其装置示意图如图1所示超级恒温水浴之所以能恒温，主要是靠温度传感器，温度控制器和电加热器三个部件配合工作达到。当超级恒温水浴因对外散热而使水温低于设定值时，温度控制器就驱使加热器工作，使温度上升；当温度升高到设定值时，温控器又使加热器停止加热。这样，就使槽温维持在所需要恒定的温度。通常用超级恒温水浴灵敏度来衡量恒温精度。超级恒温水浴灵敏度的测定是在指定温度下，观察温度波动情况，记录温度随时间的变化，其表示式如下：式中：t1记录的最高温度t2记录的最低温度若已多次观测的温度值为纵坐标，以时间为横坐标，绘成温度时间曲线即为在该指定温度下的灵敏度曲线。三、仪器和药品1.不锈钢水浴箱1台 2.控温机箱1台3.温度传感器1个 四、实验步骤1.向不锈钢缸（1）内注入其容积的自来水，水位高度大约（可根据实际需要而定），将温度传感器（5）插入不锈钢缸盖中间预置孔内（中间），另一端与控温机箱（2）后面板传感器插座（21）相连接。2.用配备的电源线将市电AC220V与控温机箱后面板电源插座（20）相连接。先将加热器电源开关（8）、搅拌器开关（7）置于OFF位置，后按下电源开关（9），此时显示器和指示灯均有显示。初始状态如图二：图二 接通电源显示初始状态其中，“恒温”指示灯（12）亮，回差处于0.5。3.回差值的选择：按回差键，回差指示灯（18）将依次显示为0.5、0.4、0.3、0.2、0.1，选择所需的回差值即可。4.控制温度的设置：按一下移位键（16），显示器（13）其中有一位LED闪烁，连续按移位键，显示器（13）由最高位依次向最低位位移，根据需要设定其位数。设定温度的位数确定后，用增 、减 键（15）设定数值的大小。依次，直至所需温度设定完成。5.当设置完毕时，仪表即进入自动升温控温状态。工作指示灯（11）亮。系统温度达到设定温度时，工作指示灯自动转换到恒温状态，恒温指示灯（12）亮。此后，控温系统根据回差值设置的大小进行自动控温，两指示灯转换速率也随之而变化。当介质温度设定温度回差时，加热器处于加热状态，工作指示灯（11）亮；当介质温度设定温度时，加热器停止加热，工作指示灯（11）熄灭，恒温指示灯（12）亮。6.根据实际控制温度需要，调节搅拌速度开关“快”“慢”（7）和加热器电源开关“强”“弱”（8）。一般开始加热时，为使升温速度尽可能快，故需将加热器的电源开关（8）置于“强”的位置。当温度接近设定温度23时，即将加热器电源开通搅拌开关，直到实验结束。7.循环水泵（6）与搅拌同轴联动，内循环时，只用一根备用橡胶管将两接嘴连接即可。外循环需用两只橡胶管，具体连接用户可根据实际需要而定。8.工作完毕，关闭加热器电源、搅拌器电源、控制器电源开关。为安全起见，拔下后面板插座电源线更好。五、数据记录与处理时间（分）0 2 4 6 8 30温度计读数（）温度计读数（）以时间为横坐标，温度为纵坐标，在方格纸上绘制25及35时的温度时间曲线，计算超级恒温水浴的灵敏度。六、思考题1. 超级恒温水浴灵敏度与温度有何关系？超级恒温水浴灵敏度受哪些因素影响？2.各种水恒温设备为什么加搅拌器？3.水恒温设备能否在低于室温下工作？实验二 中和热电离热测定一、实验目的1.掌握简单量热计的测定方法。2.加深对热效应概念和盖斯定律的理解。二、实验原理在恒温、恒压、W= 0的条件下，反应过程热QP等于系统焓变QP。相同恒压条件下，反应无论一步还是多步进行，其热效应相等。弱酸（如硼酸）与强碱发生中和反应时，反应的恒压热效应为弱酸电离热和强酸强碱中和热的代数和 式中：电离为硼酸第一电离热，可以忽略二、三级电离； 中和为强酸强碱中和热，忽略温度影响，每摩尔反应为m,中和=-57.05-1 设：为硼酸与强碱反应的恒压热效应，则：使用同一绝热瓶量热计，先后对相同物质的量（）的强酸强碱系统和硼酸强碱系统进行量热测定，分别测出二者的温升和，即可计算出硼酸的第一（摩尔）电离热m,电离为：量热计系统热容 三、仪器和药品绝热瓶 2个; 量筒 2个; 十分之一温度计 2个; 四、实验步骤1.量热计系统热容K测定（1）用量筒取-3 NaOH溶液，加入绝热瓶甲中，用十分之一温度计测出其温度t碱。（2）用量筒取-3的HCl溶液，加入绝热瓶乙中，用同一温度计测出其温度t酸。（3）将甲瓶中迅速倒入乙瓶之中，小心晃动观察温度上升情况，记录温度上升所达最高值tmax。（4）按上述三个步骤重复测定一次。2.硼酸电离热测定将（2）步中的用-3的H3BO3代替后，同前K值测定方法步骤操作，测定并记录NaOH,H3BO3和上升所达最高温度t碱，t酸，tmax。重复实验一次。五、数据记录与处理日期： 室温： 大气压： 第一次第二次2.硼酸电离热测定第一次第二次六、思考题1.值测定与电离热测定能否在不同绝热瓶中进行？2.反应的物质的量如何计算？3.本实验对NaOHHCl反应系统和NaOHH3BO3反应系统的热容做了什么近似处理？实验三 二组分真实液态混合物的气液平衡相图的绘制一、实验目的1.掌握二组分真实液态混合物的沸点、气液组成的测定方法。2.掌握阿贝折光仪的使用。3.绘制环已烷乙醇体系的沸点组成图，确定其恒沸点及恒沸组成。二、实验原理在恒定压力下，二组分达到气液平衡时，表示溶液的沸点与组成的相图称为沸点组成图，即图。二组分真实液态混合物的图可分为三类：(1)溶液的沸点介于两纯组分沸点之间（图410（a）。(2)各组分对拉乌尔定律发生最大正偏差，其溶液有最低恒沸点（图410（b）。(3) 各组分对拉乌尔定律发生最大负偏差，其溶液有最高恒沸点（图410（c）。对(2)、(3)类系统在最低或最高沸点处的气液两相组成相同，加热蒸发的结果只能使气相总量增加，气液两相组成及溶液沸点保持不变，这是的温度称为恒沸点，相应的组成称为恒沸组成。为了测定图，需在气液两相达到平衡后，同时测定气相组成、液相组成和溶液的沸点。本实验采用折光率法测定系统的组成。即需测定已配置好的不同组成的溶液的折光率，然后绘制折光率与组成的标准曲线，即本实验的工作曲线。实验采用简单蒸馏瓶，用电热丝直接放入溶液中加热（如图411），以减少过热和暴沸现象。气相分析是取冷凝器下端小玻璃球中的冷凝液，液相分析是取蒸馏瓶内的液体。分析仪器采用阿贝折光仪。三、仪器和药品蒸馏瓶一个；温度计一支（50100，0.01精度）；阿贝折光仪一台；长、短滴管各一支；量筒一个；刻度滴管一支。环已烷；无水乙醇；20%、40%、60%、80%环已烷乙醇混合液；脱脂棉。四、实验步骤1.作折光率组成工作曲线：用阿贝折光仪分别测定环已烷、无水乙醇、20%、40%、60%、80%环已烷乙醇混合液的折光率，对每个样品测定两次，取平均值，填入表41。绘制组成折光率关系曲线。表41 折光率组成数据环已烷质量(%)020406080100折光率12平均值2.按图411安装好仪器，在干燥的蒸馏瓶中加环已烷。盖好瓶塞，使电热丝全部浸入液体中，温度计水银球的一半在液体中，并注意不要与电热丝相接触。先通冷凝水再通电。3.调节变压器旋钮（以电热丝不红为限）加热液体，使其沸腾。当冷凝器中有液体回流，待温度相对稳定时，记下此温度，此为环已烷的沸点温度。然后，将变压器调至零处，停止加热。冷却后，用长滴管自冷凝管上端插入冷凝器收集小槽，将全部冷凝液吸出弃去。4.按记录表中规定的数量，用刻度滴管取乙醇从支管口加入到蒸馏瓶中形成环已烷乙醇混合液体，然后调节变压器，使溶液沸腾。待温度相对稳定时，记下沸点温度，停止加热。然后用两根不同的滴管分别从冷凝器下方收集小槽中取气相样品和从蒸馏瓶支管口取液相样品，分别测其折光率。注意测定样品折光率要迅速，以防液体挥发，每次测定折光率后将镜打开，用脱脂棉擦干。5.按记录表中规定的数量依次重复第4步操作，至第一组溶液测完。停冷凝水后将蒸馏瓶中液体倒入回收瓶中，勿用水洗，用吹风机吹干。6.重新安装好仪器，按记录表中第二组规定的数量重复第3、4步的操作至结束。五、数据记录与处理1.实验记录将实验记录填入表42中。表42 溶液沸点、折光率及组成混合液的体积组成沸点气相的分析液相的分析第一组每次加入的环已烷的体积每次加入的乙醇的体积折光率组成折光率组成20.00.50.51.02.02.05.05.010.0第二组1.02.02.05.05.020.02.数据处理(1)作折光率组成关系曲线；(2)作环已烷乙醇系统的沸点组成相图；(3)由沸点组成图确定该系统的恒沸点及恒沸组成。六、思考题 1.每次加入蒸馏瓶中的液体是否需要精确量取？ 2.如何判断气液已达平衡状态？实验四 络合物组成及稳定常数测定一、实验目的1.用分光光度法测定络合物组成及稳定常数。2.学会使用分光光度计。二、实验原理当金属离子M与配位体L形成络合物时，达到如下平衡： (1)其中：,分别为平衡浓度K定温下为一常数，称为络合物的稳定常数，n为配位数。本实验采用分光光度计，用络合物的补色单色光对一系列不同浓度的络合物溶液进行吸光度测定，从而可以确定n和K。1.分光光度法原理单色光透过溶液时遵从比耳朗白定律： (2)式中：、I0分别为透射光和入射光光强 为溶液浓度 为溶液厚度 为吸收系数对(2)式取对数可得 (3)其中令，称之为吸光度。而为透光率。分光光度计可产生一系列不同波长的单色光，并令每种单色光照射通过一定厚度的比色皿测出入射光强和透射光强，指示出透光率和吸光度数值。对于一定波长的单色光，分光光度计所测得一种溶液的吸光度由(3)式可以看出仅取决于溶液的浓度且成正比： (4)所以可根据吸光度测定确定溶液的浓度。2.等摩尔连续递变法测定络合物配位数每种颜色的溶液对相应于该颜色补色波长的单色光具有最小的透光率。当两种组分混合时，若发生了化合或缔合或络合，有可能发生明显的颜色变化，因为化合物，缔合物，络合物的颜色一般与原组分不同。当二组分的物质的量之比，恰与化合物，缔合物，络合物中二者的计量比相同时，后者的浓度最大，所以这种溶液的颜色呈后者的颜色。选择该颜色的补色波长的单色光照射溶液，必定较其它配比的溶液具有最小透光率和最大吸光度。于是，配制一系列不同摩尔分数的Fe3+钛铁试剂溶液，由于Fe3+钛铁试剂络合物具特征兰紫色，以其中颜色最深者（最接近配位比），对不同波长的单色光分别测定其吸光度。绘出吸光度曲线，其最大值对应的波长即为络合物颜色的补色波长。以补色波长单色光对上述系列溶液分别测定其吸光度，绘出吸光度溶液摩尔分数曲线，应得如右上图所示的折线。其中y(Fe3+)为Fe3+摩尔分数，折线最大值对应的溶液中Fe3+与钛铁试剂的物质的量之比即为络合物配位数： (5)为了保证实验过程中络合物稳定存在，应用醋酸醋酸铵缓冲液以保持溶液PH=4.6。3.测定络合物稳定常数上述系列试样是在相同室温条件下测定其吸光度，而络合物的稳定常数在室温下为一常数，与Fe3+和钛铁试剂的起始浓度无关。设Fe3+和钛铁试剂起始浓度分别为a和b，络合物平衡浓度为，则： + 起始浓度 平衡浓度 （6）前已确定了配位数n，可据Ay图确定y后换算出a和b。为了确定K和，可以在Ay图中作一水平线与Ay折线交于两点，则对应两点的溶液吸光度相等。从而络合物平衡浓度也相等。而且两点对应溶液的K相等。设两点对应的M和L起始浓度分别为a1、b1和a2、b2，该两点对应溶液的络合物平衡浓度均为X，于是有： （7）可由上式解得X，再代入式(5)可以得出。三、仪器和药品72G型分光光度计1台; 容量瓶（50ml）12个; 刻度吸管： 2ml,5ml,10ml各1支; 0.005moldm-3硫酸高铁铵; 0.005moldm-3钛铁试剂; 醋酸醋酸铵缓冲液（pH=4.6）四、实验步骤1.按下列表格配制11份试样溶液编号1234567891011硫酸高铁铵012345678910钛铁试剂109876543210缓冲液1010101010101010101010加水至总体积50505050505050505050502.在上述11份试样中选择颜色最深的一组，在分光光度计中选择入射单色光波长从480700nm每隔20nm测一次吸光度，然后绘制A曲线，找出极大值时的最大。3.以波长为最大的单色光，分别对上述11份试样作吸光度测定，并绘制Ay(Fe3+)图。4.另配置空白液一份：缓冲加水至（容量瓶中）每次测定试样的吸光度之前，都要用上述空白液调整吸光度值为零。五、数据记录与处理日期 室温 大气压A试样编号A1.绘制A曲线，确定最大值最大。2.绘制AyFe3