第一章物理化学基础实验部分

第一章 物理化学基础实验 实验一实验一 溶解焓的测定溶解焓的测定 实验目的 1 学会用量热法测定盐类的积分溶解焓 2 掌握作图外推法求真实温差的原理和方法 3 熟悉温度传感器的使用方法 实验原理 盐类的溶解通常包含两个同时进行的过程 一是晶格的破坏 为吸热过程 二 是离子的溶剂化 即离子的水合作用 为放热过程 溶解焓则是这两个过程热效应 的总和 因此 盐类的溶解过程最终是吸热还是放热 是由这两个热效应的相对大 小所决定的 影响溶解焓的主要因素有 温度 压力 溶质和溶剂的性质和用量等 溶解焓 分为积分溶解焓和微分溶解焓 摩尔积分溶解焓 简称积分溶解焓 是指在一定温 度 压力下 将 1mol 溶质溶解于一定量溶剂中形成一定浓度的溶液时 所吸收或 放出的热量 微分溶解焓是指在温度 压力及溶液组成不变的条件下 向溶液中加 入溶质后的热效应 或者可以理解为将 1mol 溶质溶解于无限大量的某一溶液中所 产生的热效应 此时溶液的浓度没有发生变化 积分溶解焓和微分溶解焓的单位都 是 J mol 1 但是在溶解过程中 前者的溶液浓度是连续变化的 而后者只有微小的 变化或者可以视为不变 故积分溶解焓又称变浓溶解焓 微分溶解焓又称为定浓溶 解焓 积分溶解焓可以由实验测定 在绝热容器中测定积分溶解焓的方法一般有两种 一是先用标准物质测出热量计的热容 然后测定待测物质溶解过程的温度变化 从 而求出待测物质的积分溶解焓 二是测定溶解过程中温度的降低 然后由电热法使 该体系恢复到起始温度 根据所耗电能计算出热效应 本实验采用第一种方法 溶解过程的温度变化用温度传感器 或数字贝克曼温度计 测定 量热法测定积 分溶解焓 通常是在具有良好绝热层的热量计中进行的 在恒压条件下 由于热量 计是绝热系统 溶解过程中所吸收或放出的热全部由系统温度变化反映出来 在热 量计内 将某种盐类溶解于一定量的水中时 若测得溶解过程的温度化为 T 则 该物质的溶解焓为 2 2211sol m TM CCmCmHm 式中 为盐在溶液温度及浓度下的积分溶解焓 J mol 1 m1 m2分别 m H sol 为溶剂水和溶质的质量 kg M 为溶质的摩尔质量 kg mol 1 C1 C2分别为溶剂 水 溶质的比热容 J kg 1 T 为溶解过程的真实温差 K C 为热量计的热容 指除溶液外 使体系温度每升 1K 所需的热量 J K 1 也称热量计的能当量 本实验通过测定已知积分溶解焓的标准物质 KC1 的 T 标定出 C 值 由于实验中搅拌操作提供了一定的热量 而且系统也并非严格的绝热系统 因 此在盐类的溶解过程中 难免与环境有微小的热交换 为了消除这些影响 求出溶 解前后系统的真实温度变化 T 常采用作图外推法求真实温差 根据实验数据作温度 时间曲线 如图 3 1 中的曲线 PABQ 所示 A 点 相当于热效应开始之点 B 点相当于 热效应结束之点 AB 称为主期 主 期以前的 PA 段称为前期 主期以后 的 BQ 段称为后期 通过 TA TB两 点的中点 C 作平行于横坐标的直线 交实验曲线于 D 点 D 点作 CD 线的 一垂线 分别与 PA QB 的延长线 交于 E F 点 则 EF 线段所代表的 温差即为校正后的真实温度 T TF TE 仪器与试剂 温度传感器 1 台 300mL 简单热量计 1 只 电磁搅拌器 1 台 200mL 容量瓶 1 个 秒表 1 只 电子天平 1 台 公用 分析纯 KCI NH4CI 蒸馏水 实验步骤 1 热量计热容 C 的测定 1 溶解焓测定装置如图 3 2 所示 打开数字贝克曼温度计 参见第三章第 一节中贝克曼温度计 相关内容 的电 源开关 预热 2 将热量计擦干 用容量瓶量取 200mL 室温下的蒸馏水 装入热量计 然后将数字贝克曼温度计感应器插入热 量计中 打开搅拌器并保持一定的搅拌 速度 读取水的温度 作为基温 T1 3 以 T1作为基温 调节 基温选 择 在适当的数值 在 温差 档上 待读 数稳定后每 1min 记录一次温差值 共读 3 20 3 40 3 60 3 80 4 00 时间 min 温度传感器读数 c 图3 1求真实温差的作图外推法 P A D C F E Q B 5 4 3 1 2 图3 2 求真实温差的作图外推法 1 磁力搅拌器 2 搅拌子 3 热量计 杜瓦瓶 4 温度传感器头 5 温度传感器 8 次 然后 将准确称好的 4 14g KC1 迅速倒入热量计中 每 0 5min 读一次温度 共读 2 次 接着改为每隔 1min 读数一次 共读 8 次即可停止 4 测出热量计中溶液的温度 记作 T2 计算 T1 T2的平均值 作为体系的 温度 作为体系的温度 倒掉溶液 取出搅拌子 用蒸馏水洗净热量计 2 NH4C1 溶解焓的测定 用电子天平称取 2 97g NH4C1 代替 KC1 重复上述操作 实验结束后 倒掉废 液 用蒸馏水洗净热量计 数据记录与处理 1 记录实验过程中系统温度随时间的变化 2 用作图外推法求出 KC1 溶解过程的真实温差 T1 计算热量计热容 C 值 3 用作图外推法求出 NH4C1 溶解过程的真实温度 T2 计算其摩尔积分溶解 焓 附注 1 KC1 和 NH4C1 固体在 20 附近的比热容分别为 0 67J g 1 K 1和 1 55J g 1 K 1 2 不同温度下 1mol KC1 溶于 200mol 水中的溶解焓参见附录表 17 3 SWC II 型数字贝克曼温度计的使用方法 1 打开电源开关 将温度计的传感器插入待测物中 预热 10min 2 按 测量 保持 按键 使仪器处于测量状态 测量 指示灯亮 3 按 温度 温差 按键 使仪器处于温度测量状态 此时温度计显示的温度 值为待测物的实际温度 数值后有 符号 读取该温度作为基温 4 根据基温值 调节 基温选择 旋钮于适当的挡位 5 按 温度 温差 按键 使仪器处于温差测量状态 此时温度计显示的温度 值为贝克曼温度 数值后无 符号 在此条件下可进行温差测量 6 为方便记录数据 可使用 保持 功能 按 测量 保持 按键 使仪器处于 保持状态 保持 指示灯亮 仪器显示按键时刻的温度值 记录数据后 再按下 测量 保持 按键 使仪器恢复到测量状态 测量 指示灯亮 4 ZT 2C 型精这数字温差测量仪的使用方法 1 打开电源开关 将温度计的传感器插入待测物中 预热 10min 2 时间设定 按 时间设定 按键 调整计时时间 仪器默认计时时间为 30s 每按键 1 次 计时时间增加 1s 单位为 秒 s 3 温度计上显示的温度值为待测物的实际温度 按 基温设定 按键 仪 器自动将当前温度设为基温 4 按动 显示切换 按键 显示数值在 基温 和 温差值 之间切换 基温为固 定值 设定后 恒定不变 温差值为实时测量值 数值会不断变化 5 温差测定结束后 如需要再测待测物的实际温度 可按如下方法操作 按动 显示切换 按键 使仪器器显示 基温 按动 基温设定 按键 则仪器显示的基温值为当前实际温度 注意 使用 ZT 2C 型精密数字温差测量仪时 在测定温差过程中不可再按 基温设定 按键 否则会使已设定基温发生变化 造成测定结果出现错误 思考题 1 本实验误差产生的原因有哪些 2 温度对积分溶解焓有无影响 3 本实验中如果称取 5 35gNH4C1 进行测定 所得 NH4C1 的积分溶解焓会发 生变化吗 为什么 4 温度传感器与一般温度计有何不同 5 在本实验中 为什么要用作图外推法求溶解过程的真实温差 实验指导及注意事项实验指导及注意事项 1 试剂称量前要进行研磨 否则可能会因为试剂颗粒过大而影响溶解时间 2 倒掉废液时注意先把搅拌子拿出来 以防丢失 3 不要开电磁搅拌器的加热开关 4 加入试样于杜瓦瓶中后应迅速盖上 刚开始时读取温度 或温差 要密一些 此后逐渐增大时间间隔 5 欲得到准确实验结果 必需保证试样全部溶解 且操作和处理数据的方法 正确 温度传感器必要时需进行校正 实验二实验二 燃烧焓的测定燃烧焓的测定 实验目的 1 掌握数显氧弹式热量计测定物质燃烧焓的热力学原理及方法 2 了解数显氧弹式热量计的构造并掌握其使用方法 实验原理 物质的标准摩尔燃烧焓 变 B T 是指在温度 T 和标准压力 0 cm H 100kPa 下 由 1mol 指定相态的物质与氧化完全氧化的等压反应热 在适当条 件下 很多有机物都能在氧气中迅速地完全氧化 从而可以利用燃烧法快速准确地 测定其燃烧焓 燃烧焓通常用热量计测定 但是用氧弹式热量计 如图 3 3 所示 测得的不 是摩尔燃烧焓 而是摩尔 mcH 燃烧热力学能 变 若把 mcU 参与反应的气体视为理想气体 并压力对燃烧焓的影响 则可按 下式将摩尔燃烧热力学能换算成 标准摩尔燃烧焓 c TBUTBH mcm 1 B g B RT 式中 为参加反应的气 gB 体物质的化学计量数 对反应物 取负号 而对产物取正 gB gB 号 用氧弹式热量计测定燃烧焓 时 要尽可能在接近绝热的条件 下进行 实验时 氧弹放置在装 有一定量水的内桶中 内桶外是 空气隔热层 再外面是温度恒定 的水夹套 整个热量计可看作一个等容绝热系统 其热力学能变为零 由U U 四部分组成 样品在氧气中等容燃烧的热力学能 引燃丝燃烧的热力学能 BU c 图3 3 氧弹式热量计原理结构图 1 外筒 2 3定位圈 4 内筒 5 氧弹 6 点火插头 7 内筒搅拌器 8 外筒温度计套 9 温度传感器 10 外筒搅拌器 11 弹体圆筒 引燃丝 氧弹中微量氮气氧化成硝酸的等容生成热力学能 U c 3f HNOU 热量计 包括氧弹 内桶 搅拌器和温度感应等 的热力学能变 热量计 U 因此 可表示为 U U cU B Uc 引燃丝 fU HNO3 U 热量计 式中 相对于样品的燃烧热值极小 而且氧弹中的微量氮气可通 3f HNOU 过反复充氧加以排除 因此可忽略不计 则上式变为 U cU B cU 引燃丝 U 热量计 0 如果已知物质的质量 等容燃烧热值及燃烧前后系统温度的变化T 则上式 还可以写为更实用的形式 2 0TCQm B Q B m 22v 式中 为样品的质量 g 为样品的等容燃烧热值 J g 1 B m B QV 为燃烧掉的引燃丝的质量 g Q2为引燃丝的燃烧热值 J g 1 C 为热量计的热 2 m 容 即热量计每升高 1K 所需吸收的热量 J K 1 T 为修正后的内桶中水的真实 温差 和的数值可直接由实验测得 而真实温差T 可由对实测温 B m 2 m 差进行修正获得 实验测得热容 C 后 可根据式 2 计算 进而换算为样 B QV 品的燃烧热力学能变 cUm B T 再根据式 1 可计算样品的标准摩尔燃烧焓 T B 0 c m H 下面分别介绍温差修正和热容 C 的测定 1 温差修正 式 2 是在绝热的条件下导出的 实际上 氧弹热量计并非是严格的绝热系 统 而且受传热速度的限制 样品燃烧后由初温达到末温需要一定的时间 在这段 时间内 量热系统与环境间不可避免地要发生热交换 因此 由温度计直接测得的 温差不是体系真实的温差T 必须对其进行修正 温差修正有 经验公式法和作图法等 下面仅 介绍经验公式法 经验公式法原理可用图 3 4 简略说明 设实验时每隔 30s 读 取一次系统的温度数值 若将实 测温度读数 T 对温度读数次数 n 作图 可得如图 3 4 所示的升温 曲线 曲线 AB 段代表点火前热 量计系统温度到达恒定时的初期 温度变化规律 DE 段为点火后 初期末期主期 n1n2 DE C B A 图3 4 升温曲线 30201040 量热系统达到最高温度后的末期温度变化曲线 BC 段和 CD 段分别代表点火后温 度上升很快 T 0 3 30s 和上升缓慢 T 0 3 30s 的两个燃烧阶段 其 温度读数次数分别为 n1和 n2 此时反应初期系统温度的变化率 30s 可表示为 3 10 100 o TT V 反应末期系统温度的变化率 30s 可表示为 4 10 10 高高 TT Vn 式中 To指开始记录时系统的温度 30s 后系统的温度为 T1 则 T10为第 10 次 记录的温度值 为主期初温 T10 即点火温度 为主期末温 即主 低 T 低 T 高 T 期温度达到的最高温度读数 V0可视为反应初期条件下由于系统与环境之间的热 量交换而造成的系统温度的变化 Vn为反应末期条件下由于系统与环境之间的热 量交换而造成的系统温度的变化 如果把整个升温过程 即曲线 BC 段和 CD 段 当作燃烧过程的主期 考虑到 CD 段的温度读数次数 n2比 BC 段的 n1大得多 而 CD 段又接近末期温度 所以主 期内系统与环境之间的热量交换状况与末期阶段 DE 段 基本相同 那么主期升 温过程的热交换所引起的温度修正可表示为 5 nn nVVn n 21 式中 n 为主期的温芳读数次数 这种修正方法比较简便 但由于过于粗略 因此误差比较大 若把主期升温过程分为 BC 和 CD 两个阶段来考虑 则更接近实 际情况 量热系统在 CD 段仍按末期温度变化率 n2Vn进行修正 而 BC 段介于低温 和高温之间 可按初期和末期温度变化率的平均值 V0 Vn n1 2 加以修正 因此 整个主期由于热量交换所引起的温度修正值为 6 n2 1n0 校 Vn 2 n校VV校 修正后的真实温差为 7 校低高 TTT 与式 5 相比 式 6 所得结果相对精确些 故本实验采用式 6 计算 利用式 7 计算体系的真实温差 校 T 2 标准物质法标定热量计热容 C 测定热量计热容的方法是在相同的条件下 将一定是 质量为 m1 的已知燃 烧热值的标准物质进行燃烧 将所测得的实测数据代入式 6 式 7 和式 2 可得热量计的热容 C 仪器与试剂 XRY 1A 型数显氧弹式热量计全套 含氧弹 其结构见图 3 5 搅拌器及数字 贝克曼温度计 10mL 移液管 1 支 2000mL 和 1000mL 量筒各 1 支 直尺 1 把 公用仪器 压片机 2 台 专用放氧阀 1 个 氧气瓶及减压阀 1 套 充氧器 1 台 电子天平 1 台 托盘天平 1 台 万用表 1 个 分析纯苯甲酸 镍铬引燃丝 约 10cm 煤粉末 蔗糖 图 3 5 氧弹结构示意图 1 放气孔 2 金属支架 3 燃烧挡板 4 坩锅 5 电极 6 进气孔 7 橡皮垫圈 8 弹盖 9 进气管 10 燃烧丝 11 弹体圆筒 实验步骤 1 热容 C 的测定 1 用分析天平准确称量 精确度在 0 1mg 内 10cm 的引燃丝 然后将引 燃丝中部绕成环状 2 苯甲酸预先在烘箱 50 60 下 内烘 30min 称 1 0 1 2g 将引燃丝环 状部分与苯甲酸一起压片 将压好的样品先在干净的桌面上敲击 2 3 次 以除去没 有压紧的部分 再在分析天平上准确称量 3 拧开氧弹盖放在专用支架上 将弹内洗净 擦干 用移液管取 10mL 蒸 馏水于氧弹中 分别将引燃丝两端固定在氧弹内两电极柱上 药片要悬于不锈钢坩 埚上方 但不要使引燃丝与坩埚接触 以免短路导致点火失败 盖上氧弹盖并拧 紧 4 打开氧气瓶阀门 调节减压阀 详见第三章第二节中气体钢瓶及其使用 部分相关内容 使压力达到 1 0MPa 左右 将氧弹置于充氧器底座上 使进气口 对准充氧器的出气口 按下充氧器的手柄充氧至充氧器压力表值约 1 0MPa 用放 气阀将氧弹中的氧气放出 赶出氧弹内的空气 然后再次充氧气 用万用表测量 氧弹盖两极处是否有电流通过 5 将充有氧气的氧弹放入内桶底座上 检查搅拌叶片是否正常工作 用量 筒量取 2000mL 蒸馏水倒入内桶中 然后接好点火电极的导线 再量取 1000mL 蒸 馏水倒入内桶中盖上热量计盖 将数字贝克曼温度计的传感器竖直插入热量计盖上 的孔中 其末端应处于氧弹高度的 1 2 处 打开控制箱的电源开关 按下 搅拌 键 搅动内桶水 仪表开始显示内桶水温 每隔半分钟蜂鸣表报时一次 6 5 10min 后 当系统温度变化速度达到恒定时 开始初期温度读数 每 隔 30s 蜂鸣表发出 嘟 的一声 立即读数一次 当读第 10 次时 同时按点火键 点火指示灯闪亮马上又熄灭时表示点火成功 测量次数自动复零 仍每隔 30s 读一 次主期温度读数 共存储测量数据 31 个 当主期温度升至最大值时 再读取 10 次 末期温度读数 所有温度读数均精确到 0 001 当测温次数达到 31 次后 测温次 数就自动复零 表示实验结束 若末期温度读数不满 10 次 需人工记录几次 7 停止搅拌 取出温度计传感器 拔掉引火导线 取出氧弹并擦干其外壳 用放气阀放掉氧弹内的氧气 打开氧弹盖 检查燃烧是否完全 若坩埚或氧弹内有 积碳 则说明此实验失败 需重做 若坩埚或氧弹无积碳 则说明实验成功 取出 未烧完的点火丝 测量其长度 若火线的长度和质量已知 8 洗净并擦干氧弹内外壁 将内桶蒸馏水倒入储水桶 擦干全部设备 待 氧弹及内桶和搅拌器温度与室温平衡后再做下一次实验 2 煤的燃烧热值的测定 用煤代替苯甲酸重复上述操作 数据记录与处理 1 可参考表 2 1 和表 2 2 形式记录实验数据 例如 在测定热容 C 时 可将 数据分别记录于表 2 1 和表 2 2 表 2 1 苯甲酸和引燃丝的质量 项目实验数据项目实验数据 苯甲酸的燃烧热值 J g 1 苯甲酸的质量 m B g 引燃丝的燃烧热值 J g 1 引燃丝的质量 g 燃烧后剩余引燃丝的质量 g 燃烧掉的引燃丝质量 g 表 2 2 苯甲酸燃烧过程的温度变化 室温 大气压 Pa 读温次数初期温度 主期温度 末期温度 备注 2 根据初期 主期和末期温度确定 T高 T低 n1和 n2 计算 Vo 和 Vn 并分 别按式 6 和式 7 计算温差修正值和真实温差 T 3 根据式 2 计算热量计的热容 C 4 再根据式 2 计算煤的等容燃烧热值 QV 煤 附注 1 镍铬丝的等容燃烧热值为 1 400 103J g 1 铁丝的等容燃烧热值为 6 699 103J g 1 苯甲酸的等容燃烧热值为 2 640 104J g 1 2 由于空气中含有大量的氮气 充入氧弹内的气体内会残留少量的氮气 在 燃烧的条件下 氮气与水作用生成 HNO3 可将燃烧后氧弹内的液体用 0 100mol L 1的 NaOH 滴定 氮气燃烧放出的热量 QV 5 98VJ g 1 其中 V 是滴定 所消耗的 0 100mol L 1NaOH 的体积 ml 这项校正可忽略 思考题 1 用氧弹式热量计测定燃烧焓的装置中哪些是系统 哪些是环境 系统和环 境之间通过哪些可能的途径进行热交换 如何修正这引起热交换对测定的影响 2 实验中搅拌过快或过慢有何问题 3 内桶中加入的蒸馏水 为什么要准确量取其体积 4 如何识别氧气钢瓶 如何正确使用氧气瓶和减压阀 5 实验时在氧弹中加入 10mL 蒸馏水的目的是什么 实验指导及注意事项 1 充氧前一定要旋紧氧弹的盖子 2 实验开始之前应先检查搅拌器的工作状态是否正常 3 压片和退片时应用手扶好压片机的调压板 否则不好出片 且压煤片时应 比压苯甲酸时用力稍大些 否则煤片不易成型 易碎 4 做完试样放氧气时 应先将氧弹擦干再放气 实验三实验三 液体饱和蒸气压的测定液体饱和蒸气压的测定 实验目的 1 明确液体饱和蒸气压的定义 了解纯液体的饱和蒸气压与温度的关系以及 克劳修斯 克拉佩龙 Clausius Clapeyron 方程的意义 2 掌握用静态法测定液体饱和蒸气压的方法 学会用图解法求被测液体在实 验温度范围内的平均摩尔汽化焓 3 初步掌握真空实验技术 了解恒温槽及气压计的使用方法 实验原理 通常温度下 距离临界温度较远时 在一真空的密闭容器中 液体很快和它 的蒸气建立动态平衡 即蒸气分子向液面凝结和液体分子从逃逸的速率相等 此时 液面上的蒸气压力就是液体在此温度时的饱和蒸气压 蒸发 1mol 液体所吸收的热 量称为该温度下液体的摩尔汽化焓 液体的蒸气压与温度有关 温度升高 分子运 动加剧 单位时间从内液面逸出的分子数增多 蒸气压增大 反之 温度降低时 蒸气压减小 当蒸气压等于外界压力时 液体便沸腾 此时的温度称为沸点 外压 不同时 液体沸点将相应改变 当外压力 1atm 101 325kPa 时 液体的沸点称为 该液体的正常沸点 液体的饱和蒸气压与温度的关系用克拉佩龙方程式表示 m mvap VT H dT dP 式中 T 为热力学温度 为在温度 T 时纯液体的摩尔汽化焓 mvapH 对于包括气相的纯物质两相平衡系统 由于远远大 1 mmm VgVV gVm 于 故 将气体视为理想气体 则可得到克劳修斯 克拉佩龙 1 m V gVV mm 方程式 2 dp RT Hp dT mvap 式中 R 为摩尔气体常数 假定与温度无关 或因温度变化范围较小 m H vap 可以近似视为常数 积分上式 得 mvapH C RT H n mvap p p 1 式中 为液体在温度 T 时的蒸气压 C 为积分常数 由此式可以看出 测定p 不同温度 T 下液体的蒸气压 P 以 1n p p 对 1 T 作图 应为一直线 直线的斜 率为 由斜率可求算液体的 R Hm vap mvapH 测定液体饱和蒸气压的方法有静态法 动态法 饱和气流法三种 本实验采用 静态法 利用等压计测定乙醇在不同温度下的饱和蒸气压 如图 3 6 所示 小球 9 中盛装的是被测样品 U 型管内用样品本身作液封 在 某一温度下若小球液面上方仅有被测物质的蒸气 那么在等压计 U 形管右支液面 上所受到的压力就是其蒸气压 当这个压力与 U 形管左支液面上的空气的压力相 平衡 U 形管两臂液面齐平 时 就可从与等压计相接的压力计测出在此温度下的 饱和蒸气压 12 13 12 11 10 9 8 7 6 5 43 1111 抽气 图3 6 蒸汽压测定装置 1 不锈钢真空包 2 抽气阀 3 真空包抽气阀 4 进气瓶 5 数字压力计 6 玻璃恒温水浴 7 温度计 8 等压计 9 试样球 10 冷凝管 11 真空橡皮管 12 加样口 13 搅拌杆 仪器与试剂 恒温水浴 等压计 数字压力计 真空泵及附件 无水乙醇 实验步骤 1 装样 将乙醇溶液通过等压计的加样口 12 装入 使试样球 9 内的乙醇约占 小球体积的 2 3 同时保证 U 形管内含有一定量的乙醇 然后按图 2 6 安装各部分 2 打开数字压力计电源开关 预热 5min 后 按下 复位 键 调单位至 mmHg 再按下 采零 键 3 系统气密性检查 关闭进空气口 4 打开阀门 2 3 和真空泵 使用方法参 见第三章第二节中真空技术部分相关内容 抽真空 2 3min 关闭阀门 2 此时若 数字压力计上的数字基本不变 则说明系统不漏气 否则应逐段检查 消除漏气原 因 4 打开阀门 3 继续抽真空 这样试样球与 U 形管之间的空气呈气泡状通过 U 形管中的液体逸出 当发现气泡成串逸出时 可迅速关闭缺抽气阀门 3 若沸腾 不能停止 可缓缓打开气阀 4 使少许空气进入系统 2 5min 后关闭抽气阀门 2 打开恒温水浴的加热开关 将水温升高至 20 35 升温时可看到有气泡通过 U 形管逸出 5 慢慢打开真空包抽气阀 3 使等压计内的溶液缓缓沸腾 1min 左右 关闭抽 气阀 3 缓缓打开进气阀 4 使少许空气进入 待等压计左右支管中液面相平时 迅速关闭阀门 4 同时读出压力和温度 计算出所测温度下的饱和蒸气压 并与标 准数据比较 误差较大时 重复此步骤 6 每次升温 2 3 重复上述操作 测定乙醇在不同温度下的蒸气压 至少 做 5 组数据 7 实验结束后 打开阀门 3 4 关闭数字压力计 恒温水浴的开关 将系统 排空 然后关闭真空泵 数据记录与处理 1 自行设计实验数据记录表 记录原始数据并计算 1n p p 和 1 T 2 以 1n p p 对 1 T 作图 由直线的斜率求出 mvapH 思考题 1 本实验产生误差的因素有哪些 2 数字压力计中所读数值是否就是纯液体的饱和蒸气压 3 为什么实验完毕后必须使体系和真空泵与大气相通才能关闭真空泵 4 为什么等压中的 U 形管内要用样品本身作液封 实验指导及实验指导及注意事项 1 实验过程中 最重要的是排净等压计小球上面的空气 使液面上空只含液 体的蒸气分子 如果数据偏差在正常误差范围内 可认为空气已排净 但要注意 抽气速度不要过快 以防止液封溶液被抽干 2 等压计必须放置于恒温于浴中的液面以下 否则所测溶液温度与水浴温度 不同 3 待等压计左右支管中液面调平时 一定要迅速关闭阀门 4 严防空气倒灌 影响实验的进行 4 在关闭真空泵前一定要先将系统排空 然后关闭真空泵 实验四实验四 完全互溶双液系统相图的绘制完全互溶双液系统相图的绘制 实验目的 1 掌握阿贝折射仪的使用方法 通过测定混合物的折射率确定其组成 2 学习常压下完全互溶双液系统相图的测绘方法 加深对相律 恒沸点和理 解 实验原理 相图是描述相平衡系统温度 压力 组成之间关系的图形 可以通过实验测定 相平衡系统的组成来绘制 由液态物质混合而成的二组分系统称为双液系统 若两液体能以任意比例互溶 称其为完全互溶双液系统 若两液体只能部分互溶 称其为部分互溶双液系统 当 纯液体或液态混合物的蒸气压与外压相等时 液体就会沸腾 此时气 液两相呈平 衡 所对应的温度就为沸点 双液系统的沸点不仅取决于压力 还与液体的组成有 关 表示定压下双液系统气 液两相平衡时温度与组成关系的图称为 T xB图或沸点 组成图 定压下完全互溶双液系统的沸点 组成图可分为三类 各组分对拉乌尔定律 的偏差不大 溶液的沸点介于两纯液体的沸点之间 如乙醇与正丙醇系统 其 T xB图如图 3 7 a 所示 各组分对拉乌尔定律有较大负偏差 其溶液有最 高沸 点 如丙酮与氯仿系统 其 T xB图如图 3 7 b 所示 各组分对拉乌尔定律有 较大正偏差 其溶液有最低沸点 如乙醇与环己烷系统 其 T xB图如图 3 7 c 所示 在最高沸点和最低沸点处 气相线与液相线相交 对应于此点组成的溶液 达 到气 液两相平衡时 气相与液相组成相同 沸腾的结果只使气相量增加 液相量 减少 沸腾过程中温度保持不变 这时的温度叫恒沸点 相应的组成叫恒沸组成 压力不同 同一双液系统的相图不同 恒沸点及恒沸组成也不同 AABAB xBxBxB a c b 图3 7 完全互溶双液系统的相图 T C T C T C xy 本实验采用回流冷凝的方法绘制乙醇 环己烷体系的 T xB图 其方法是分别在 沸点仪中加热组成不同的混合溶液 在其沸点温度下将混合溶液分成气相和液相两 部分 用阿贝折射仪测定气相 液相的折射率 再从折射率 组成工作曲线上查得 相应的组成 然后绘制 T xB图 仪器与试剂 沸点仪 1 套 超级恒温水浴 1 台 阿贝折射仪 1 台 1mL 10mL 移液管各 1 支 5mL 25mL 移液管各 2 支 小液瓶 11 个 电加热套 1 台 长 短吸管若干 环己烷 分析法 无水乙醇 分析法 实验步骤 1 配制标准溶液 将 11 个小滴瓶编号 测量并记录溶液的温度后 依次移入 0 1 00mL 2 00mL 9 00mL 10 00mL 的环己烷 然后依次移入 10 00mL 9 00mL 8 00mL 1 00mL 0 的无水乙醇 轻轻摇动 混合均匀 配成 11 份已知浓度的溶液 公用 2 将阿贝折射仪与超级恒温水浴相连 打开恒温水浴电源开关 调节水浴温 度至实验要求值 3 测定折射率与组成的关系 绘制工作曲线 打开阿贝折射仪 原理及使用 方法参见第三章第五节中阿贝折射仪部分相关内容 的电源开关 待折射仪温度达 到实验要求温度后 从 1 号瓶中取一滴所配溶液加入到阿贝折射仪中 通过目镜进 行观察 调整滤光旋钮 使视野中圆形部分呈现明暗交界面 旋转调节按钮 明暗 交界面的界线会上下移支当此 交界线 与圆形视野中的十字线中点相交时 如图 所示 读出仪器显示的数据 即为溶液的折射率 以折射率对溶液组成 以环己 烷的摩尔分数表示溶液组成 作图 即可得到工作曲线 4 测定乙醇 环己烷体系的沸点与组成的关系 如图 3 8 所示 安装好沸点 仪 打开冷却水 由进样口加入待测溶液 用电加 热套供热 使沸点仪中溶液沸腾 并通过调整沸点 仪与电加热套的距离控制适宜的回流高度 一般为 1 5cm 左右 最初冷凝管下端袋状部的冷凝液不 能代表平衡时的气相组成 将袋状部的最初冷凝液 体倾回蒸馏器 并反复 2 3 次 待溶液沸腾且回流 正常 温度读数基本恒定后 记录溶液沸点 5 将沸点仪从电加热套上移开 用长吸管从气 相冷凝液取样口吸取气相样口 把所取的样口迅速 滴入阿贝折射仪中 测其折射率 g n 6 将阿贝折射仪镜面用洗耳球吹干 用另一支 短吸管从沸点仪进样口吸取一滴溶液 测其折射率 1 温度计 2 加料口 3 电热丝 4 冷凝液取样口 5 盛冷凝液小槽 图3 8 沸点仪装置示意图 1 n 本实验是以恒沸点为界 把相图分成左右两支进行绘制的 具体方法如下 1 左半支沸点 组成关系的测定 取 20mL 无水乙醇加入沸点仪中 加热并 记录其沸点 然后依次加入环己烷 1 5mL 1 5mL 2 0mL 4 0mL 14 0mL 按步 骤 4 5 6 分别测定溶液沸点及气相组分折射率 液相组分折射率 实验完 g n 1 n 毕 将溶液倒入回收瓶中 并烘干沸点仪 2 右半支沸点 组成关系的测定 取 25mL 环己烷加入干燥的沸点仪中 加热并记录其沸点 然后依次加入无水乙醇 0 3mL 0 3mL 0 4mL 1 0mL 5 0mL 用前述方法分别测定溶液沸点及气相组 分折射率 液相组分折射率 g n 1 n 数据记录及处理 1 根据所取纯组分的体积及其密度计算标准溶液的摩尔分数 设计表格 将 实验中测得的折射率 组成数据列表 并绘制成工作曲线 2 将实验获得的数据及从工作曲线上查得所测样品的气 液相组成填入下表 液相气相 序号 加入样 品 T 沸点 n1x环ngx环 3 绘制乙醇 环己烷体系的 T xB图 并由图中求得最低恒沸点和恒沸组成 思考题 1 该实验中 绘制工作曲线时 折射仪的恒温温度与测定样品时折射仪的恒 温温度是否需要保持一致 为什么 2 如果实验所用的环己烷中混有少量乙醇 会对实验产生什么影响 为什么 3 在连续测定法实验中 样品的加入量必须十分精确吗 为什么 实验指导及实验指导及注意事项 1 实验中可通过调节电加热套的温度或调整沸点仪的高度控制回流速度的快 慢 一般控制回流高度在 1 5cm 左右 2 在每一份样品的蒸馏过程中 由于整个体系的成分不可能保持恒定 因此 平衡温度会略有变化 特别是当溶液中两种组成的量相差较大时 变化理炙明显 为此每加入一次样品 待溶液沸腾后 控制好回流高度 再回流 2 3min 后 即可 取样测定 不宜等待时间过长 3 每次取样量不宜过多 取样时吸管一定要干燥 不能留有上次的残液 气 相部分的样品要取干净 4 烘干沸点仪时注意温度指示 温度达 100 前将沸点仪从电加热套上移开 防止温度过高而损坏温度计 5 使用阿贝折射仪时 棱镜不能触及硬物 如吸管头 每镒用完后应用洗 耳球吹干棱镜 实验五实验五 三组分系统相图的绘制三组分系统相图的绘制 实验目的 1 熟悉相律 掌握等边三角形坐标的使用方法 2 学会用溶解度法绘制三组分系统的相图 3 绘制乙醇 苯 水组分系统相图 实验原理 根据相律 等温等压下三组分系统 即最多有两个独立的浓2 max PCf 度变量 因此其相平衡状态可用平面图表示 通常用等边三角形法表示三组 A B C 的组成 如图 2 10 所示 等边三角形的三个顶点分别代表 A B C 三 种纯物质 AB BC CA 三条边分别表示 A 与 B B 与 C C 与 A 二组分系统的 组成 三角形内的任一点则代表三组分系统的组成 如图 3 10 a 中 O 点所代表的 系统组成为 xA 0 3 xB 0 5 xC 0 2 或质量分数 30 A 50 B 20 C 用平面等边三角形法表示三组分系统组成具有如下特点 1 等含量规则 一组三组分系统 如果其组成位于平行于三角形某一边的 直线上 则在这一组系统中 与此线相对的顶点所代表组分的含量相等 如图 3 9 b 中 BD 线上各点所代表的三组分系统中组分 B 的质量分数 或摩尔分数 相 同 AC B D c c O A C B b a a b C B D A C B D a a c c D D A AC B D A C B O B D 图3 9三角坐标 2 等比例规则 过顶点到对边的任一直线上的三组分系统中 对边两顶点 所代表组分的含量比相等 如图 3 9 b 中 BD 线上各点所代表的三组分系统中 A C 两组分含量的比值保持不变 3 直线规则 由两个三组分系统构成的机关报三组分系统的组成必然位于 原来两个三组分系统点的连线上 如图 3 9 c 中 由 D B 两个三组分系统混合构 成的新三组分系统的系统点为 O 若 D E 所代表的三组分系统的质量分别为 m1 和 m2 则根据杠杆规则有 od oe OD OE m m 2 1 三组分系统有多种类型 本实验研究的是具有一种共轭溶液的乙醇 A 苯 B 水 C 三组分系统 在该三组分系统中 A 和 B A 和 C 完全互溶 而 B 和 C 只能部分互溶 在苯 系统中加入乙醇则可促使苯与水的互溶 其相图如图 3 10 所示 图 BadfhjbC 为溶解度曲线 曲线外为单相区 曲线内为两相 C 在 B 中的 饱和溶液 另一相为 B 在 C 中的饱和溶液 这对溶液称为共轭溶液 乙醇 B A C B 水 C苯 A 乙醇 B A C B 水 C苯 A 图 3 10 三组分系统相图 本实验是先配制部分互溶的 B C 混合液 其系统点为 K 向该系统中滴加入 组分 A 则系统点沿 KA 线向 A 移动 苯 水比例保持不变 到达 d 点以前 系 统中存在不互溶的两共轭相 故振荡时为浊液 到 d 点 系统由两相区进入单相区 液体由浊变清 继续滴加 A 至系统点 e 改向系统中滴加 C 则系统点由 e 沿 eC 线向 C 变化 到 f 点 系统由单相区进入两相区 液体由清变浊 继续滴加 C 至系 统点为 g 再向系统中滴加 A 系统点由 g 沿 gA 线向 A 变化 到 h 点 液体由浊 变清 如此反复进行 可得到 d f h j 连接各点即可得到溶解度曲线 仪器与试剂 50mL 碱式滴定管 2 支 2mL 移液管 1 支 250mL 锥形瓶 1 只 苯 分析纯 无水乙醇 分析纯 蒸馏水 实验步骤 1 分别在两支洁净的碱式滴定管内装无水乙醇和蒸馏水 2 准确移取 2mL 苯及 0 1mL 蒸馏水于干净的 250mL 锥形瓶中 然后用滴定 管慢慢向其内滴加无水乙醇 且不停地振摇锥形瓶 记下液体由浊变清时所加乙醇 的体积 再向此瓶中滴入 0 5mL 无水乙醇 改用水滴定 记下液体由清变浊时所加 水的体积 3 按照表 2 4 中所列量继续加水 然后用无水乙醇滴定 如此反复进行 数据记录与处理 1 从附录表中查出实验温度下三种纯组分的体积质量列入表 2 3 并根据滴定 终点时系统中乙醇 苯 水的体积及其纯组分的体积质量计算出滴定终点时系统中 乙醇 苯 水的质量及质量分数 并记录于表 2 4 2 根据各滴定终点时各组分的质量分数 绘于三角坐标纸上 将各点连成平 有曲线 并用虚线外延到三角形两个顶点 因为水与苯在室温下可以看成是完全不 互溶的 表表 2 3 纯组分的体积质量纯组分的体积质量 体积质量 g cm 3 室温 大气压 kPa 苯乙醇水 表表 2 4 三组分系统溶解度曲线测定结果三组分系统溶解度曲线测定结果 体积 mL 水乙醇 质量 g质量分数 编号 苯 滴加 合计 滴加 合计苯乙醇水合计苯乙醇水 最终 记录 120 1清 220 5浊 320 2清 420 9浊 520 6清 621 5浊 721 5清 823 5浊 924 5清 1027 5浊 思考题 1 为什么根据系统由清变浑的现象可绘出溶解度曲线 2 当体系总组成点在曲线内和曲线外时 相数有何不同 总组成点 通过曲线 时发生什么变化 3 使用的锥形瓶是否需要干燥 为什么 4 如果滴定时不小心超过了终点 是否需要重新开始实验 为什么 5 说明本实验所绘的相图中各区的自由度为多少 实验指导及注意事项 1 滴加溶液时要一滴一滴地滴加 且不停地振摇锥形瓶 特别是在接近相转 变点时要不断振摇 这时溶液接近饱和 溶解平衡需较长的时间 振摇后瓶壁不能 挂液珠 2 如滴定超过终点 也可继续下面的实验 但应按照总量适当调整滴定到终 点后须多加的无水乙醇或蒸馏水的量 实验六实验六 Sn Bi 二组分固二组分固 液相图的绘制液相图的绘制 实验目的 1 掌握热分析法绘制二组分固 液相图的原理及方法 2 了解纯物质与混合物步冷曲线的区别并掌握相变点温度的确定方法 3 了解简单二组分固 液相图的特点 实验原理 压力对凝聚系统影响很小 因此通常讨论其相平衡时不考虑压力的影响 故根 据相律 二组分凝聚系统最多有温度和组成两个独立变量 其相图为温度 组成图 研究凝聚系统相平衡 绘制其相图常采用溶解度法和热分析法 溶解度法是指在确定的温度下 直接测定固 液两相平衡时溶液的浓度 然后 依据测得的温度和溶解度数据绘制成相图 此法适用于常温下易测定组成的系统 如水盐系统 热分析法则是观察被研究系统温度变化与相变化的关系 这是绘制金属相图最 常用的实验方法 其原理是将系统加热熔融 然后使其缓慢而均匀地冷却 每隔一 定时间记录一次温度 绘制温度与时间关系曲线 步冷曲线 若系统在均匀冷却 过程中无相变化 其温度将随时间均匀下降 若系统在均匀冷却过程中有相变化 由于体系产生的相变热与自然冷却时体系放出的热量相抵消 步冷曲线就会出现转 折或水平线段 转折点所对应的温度 即为该组成体系的相变温度 二组分系统相图有多种类型 其步冷曲线也各不相同 但对于简单二组分凝聚 系统 其步冷曲线有三种类型 如图 3 11 所示 ttt c b a T k T k 图3 11 生成简单低共熔混合物的二组分系统 图 3 11 a 为纯物质的步冷曲线 冷却过程中无相变发生时 系统温度随时 间均匀降低 至 b 点开始有固体析出 建立单组分两相平衡 f 0 温度不变 步 冷曲线出现水平段 bc 直至液体全部凝固 c 点 温度又继续均匀下降 水平段 所对应的温度为纯物质凝固点 图 3 11 b 为二组分混合物的步冷曲线 冷却过程中无相变发生时 系统温 度随时间均匀降低 至 b 点开始有一种固体析出 随着该固体析出 液相组成不断 变化 凝固点逐渐降低 到 C 点 两种固体同时析出 固 液相组成不变 系统建 立三相平衡 此时 f 0 温度不随时间变化 步冷曲线出现水平段 cd 当液体全部 凝固 d 点 时 温度又继续均匀下降 水平段 cd 所对应的温度为二组分的低共 熔点温度 图 3 11 c 为二组分低共熔混合物的步冷曲线 冷却过程中无相变发生时 系统温度随时间均匀降低 至 b 点 两种固体按液相组成同时析出 系统建立三相 平衡 f 0 温度不随时间变化 步冷曲线出现水平段 bc 当液体凝固 c 点 时 温度又继续均匀下降 由于冷却过程中常常发生过冷现象 其步冷曲线如图 2 14 虚线所示 轻微过 冷有利于测量相变温度 严重过冷 却会使相变温度难以确定 以横轴表示混合物的组成 纵轴表示温度 利用步冷曲线所得到的一系列组成 和所对应的相变温度数据 就可绘出相图 如图 3 12 所示 TA TB 32 4 7 6 5 t minWB 图3 12 简单低共熔二组分系统步冷曲线及相图 仪器与试剂 SWKY 数字控温仪 1 台 KWL 08 可控降温电炉 1 台 不锈钢样品管 1 支 炉 膛保护筒 1 个 传感器 1 支 纯 Bi 纯 Sn 石墨粉等 实验步骤 1 配制含铋分别为 0 20 40 70 80 100 质量分数 的铋 锟 混合物各 100g 分别装入不锈钢样品管中 再加入少许石墨粉覆盖试样 以防加 热过程中试样接触空气而氧化 2 按图 3 13 连接 SWKY 数字控温仪与 KWL 08 可控程式降温电炉 接通电 源 将电炉置于外控状态 炉膛保护管 传感器 设定温度 工作 置数 定时开关 加热量开关冷风量 内 外控 控制线 图3 13 金属相图测定装置示意图 3 将炉膛保护筒放进炉膛内 再将盛有试样的不锈钢样品管和传感器放入保 护筒内 将电源开关置于 开 仪器默认控温仪处于 置数 状态 设定温度 默认 为 320 4 将控温仪调节到 工作 状态 系统开始升温 达到设定温度后 纯 Bi 纯 Sn 两试样保温 10min 其他试样保温 5min 使试样熔化 打开不锈钢管口 用玻 璃棒将试样撑拌均匀 然后将管口盖好再将传感器放入样口管中心 5 将控温仪置于 置数 状态 调划 冷风量 按钮 使体系冷却速度保持在 6 min 左右 电压 5V 以下 6 设定控温仪的时间间隔 1min 记录一次温度 从 300 开始记录 纯 Bi 纯 Sn 两试样冷却降温到 200 其他各样品应降温到 125 7 换其他试样 重复 3 6 步操作 依次测出所配试样的步冷曲线数据 数据记录与处理 1 设计表格记录各试样的步冷曲线数据 并根据所测数据 绘出相应的步冷 曲线及 Sn Bi 二组分固 液相图 2 标出相图中各区的相态 3 根据相图求出低共熔温度及低共熔混合物的组成 思考题 1 绘制二组分固 液相图常用哪些方法 2 对于不同组成的混合物的步冷曲线 其水平段对应的温度值是否相同 为 什么 3 为什么要缓慢冷却合金作步冷曲线 4 步冷曲线各段的科率及水平段的长短与哪些因素有关 实验指导及实验指导及注意事项 1 相图为平衡状态图 因此用热分析法测绘相图要尽量使被测系统接近平衡 态 故要求冷却不能过快 为保证测定结果准确 还要注意使用纯度高的试样 传 感器放入样品中的部位和深度要适当 2 实验中 设定温度 和 实验最高温度 不同 实验最高温度 是在仪器达到 设定温度 停止工作后 仪器中的加热电炉继续上升到的温度 3 熔融试样时要搅拌均匀 为确保试样熔融 温度稍高一些为好 但不可过 高 以防样品氧化 搅拌时注意样品管不能离开加热炉 4 由于炉温较高 因此搅拌时要戴上手套 以防烫伤 5 由于过冷现象的存在 降温过程中会有升温 这是正常现象 实验七实验七 弱电解质溶液电离平衡常数的测定弱电解质溶液电离平衡常数的测定 实验目的 1 掌握电导率法测定弱酸标准电离平衡常数的原理和方法 2 学会电导率仪的使用方法 3 测定一定温度下醋酸的电离平衡常数 实验原理 电导是表征物质导电能力的物理量 通常用 G 表示 其数值为电阻的倒 数 G 1 R 1 电导的国际单位为西门子 用 S 表示 电导率 以表示 表示单位长度 单位面积的导体所具有的电导 对电解质 溶液而言 其电导率表示距离为单位距离的两极板间含有单位体积的电解质溶液时 的电导 电导率的国际单位为 S m 1 摩尔电导率表示单位浓度的电解质溶液的电导率 是指相距为单位距离 SI 单 位用 1m 的两极板间含有 1mol 电解质时溶液的电导 以