大学物理化学实验ppt课件

,物理化学实验,1,实验一双液系气液平衡相图,实验目的及要求1、绘制环己烷异丙醇双液系的沸点-组成图.2、由图形确定其恒沸点及恒沸组成。2、学习掌握阿贝折光仪的原理及使用方法,2,实验原理,在一定的温度下，把两种完全互溶的挥发性液体混合后，气、液两相平衡共存时各相的组成通常并不相同。在恒压下将溶液蒸馏，测定出溜出物（气相）和蒸馏液（液相）的组成，就能找出平衡时气、液两相的成分并绘出TX图。,3,完全互溶的双液系TX图可分为三类：,本实验采用回流冷凝的方法绘制环己烷-乙醇体系的T-X图。其方法是用阿贝折射仪测定不同组分的体系在沸点温度时气相、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-X图。,4,仪器与药品,沸点测定仪，阿贝折光仪，调压器，超级恒温水浴，滴管（长、短）。吸量管与移液管（1ml,5ml,10ml,25ml）。环己烷，异丙醇，丙酮。,实验步骤,1、绘制标准曲线将9只小试管编号，依次移入0.100，0.2000.900ml的环己烷，再依次移入0.900，0.8000.100ml的异丙醇，混合均匀，配成9份已知浓度的溶液（按纯样品的密度换算成质量百分浓度）。用阿贝折射仪测定每份溶液的折射率。以折射率对浓度作图，既可绘制曲线。,5,2、溶液沸点及气-液两相组成的测定本实验是以恒沸点为界，把相图分成左右两半支，分两次来绘制相图。具体方法如下：,(1)右半支沸点-组成关系的测定,将仪器按要求装好，由支管加入25ml异丙醇，接通冷凝水，接通电源，逐渐加大电流，使液体缓慢加热至沸腾。待温度稳定后维持3060s，记录温度计读数及大气压，,冷却后从小液槽中抽取气相样品迅速测定其折光率，同时停止加热，用长胶头滴管抽圆底烧瓶中液相样品测其折光率。按上述操作步骤分别测定加入1.00ml,2.00ml,3.00ml,4.00ml,5.00ml,10.00ml环己烷时的沸点及其气、液两相的折光率。,6,(2)左半支沸点-组成关系的测定将沸点仪内液体倒入回收瓶中，用环己烷清洗沸点仪。取25ml环己烷加入到沸点仪中，按a中步骤分别测定加入.0.00ml,0.20ml,0.50ml,1.00ml,2.00ml,3.00ml,4.00ml,5.00ml异丙醇时溶液的沸点及气、液两相的折光率。,【注意事项】由于整个体系并非绝对恒温，气、液两相的温度会有少许差别，因此沸点仪中，温度计水银球的位置应一半浸在溶液中，一半露在蒸气中。并随着溶液量的增加要不断调节水银球的位置。实验中可调节加热电压来控制回流速度的快慢，电压不可过大，能使待测液体沸腾即可。加热丝不能露出液面，一定要被待测液体浸没。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，变化更为明显。为此每加入一次样品后，只要待溶液沸腾，正常回流12min后，即可取样测定，不宜等待时间过长。每次取样量不宜过多，取样时毛细滴管一定要干燥，不能留有上次的残液，气相部分的样品要取干净。,7,【数据处理】1.将测得的折射率-组成数据列表，并绘制成工作曲线。2.将实验中测得的沸点-折射率数据列表，并从工作曲线上查得相应的组成，获得沸点与组成的关系。3.绘制环己烷-乙醇体系的T-X图，并标明最低恒沸点和组成。,8,阿贝折光仪的使用方法（实验课讲）,9,实验二、旋光法测定蔗糖水解反应的速率常数,学习和了解旋光仪的结构和工作原理，掌握其使用方法。学习和掌握物质的旋光度、比旋光度的概念。掌握用物质的旋光性间接测定反应速率的方法。,目的要求,10,蔗糖转化反应为：C12H22O11+H2OC6H12O6+C6H12O6蔗糖葡萄糖果糖,【实验原理】,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。由于反应中水是大量存在的，尽管有部分水分子参加了反应，但仍可近似地认为整个反应中水的浓度是恒定的。而H是催化剂，其浓度也保持不变。因此，蔗糖转化反应可视为一级反应。其动力学方程为,积分得：,当C=1/2C0时，t可用t1/2表示，即为反应的半衰期,11,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。,各种物质的旋光能力，可用比旋光度比较。比旋光度,tD,当其它条件不变时，旋光度与浓度C成正比。即：KC,在蔗糖的水解反应中，反应物蔗糖是右旋性物质,其比旋光度20D=66.6。产物中葡萄糖也是右旋性物质，其比旋光度20D=52.5；而产物中的果糖则是左旋性物质，其比旋光度20D=91.9。因此，随着水解反应的进行，右旋角不断减小，最后经过零点变成左旋。,12,旋光度与浓度成正比，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：0K反C0(表示蔗糖未转化)K生C0(表示蔗糖已完全转化)tK反CK生（C0C）三式联立可以解得：,由上式可见，以ln(t)对t作图为一直线，由该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。根据阿累尼乌斯公式,，可求出蔗糖转化反应的活化能Ea。,13,【仪器试剂】,旋光仪1台；旋光管1只；恒温槽1台；台称1台；停表1块；烧杯(100mL，1只)；移液管(25mL，2支)；带塞三角瓶(100mL，2只)。HCl(3moldm-3)；蔗糖(A.R.)。,【实验步骤】,1、开启恒温水浴槽，将目标温度调至所需值，开始加热。2、称取20g蔗糖溶解，在100ml的容量瓶中定容。,3、的测定用移液管移取蔗糖溶液25ml放入锥形瓶中，再用另一只移液管吸取25ml2.0mol/LHCl溶液放入另一锥形瓶中，将其置于30恒温槽中恒温10min后，取出两只三角瓶，将HCl迅速全部倒入蔗糖中，并于HCl倒入一半时开始计时。用此溶液洗涤旋光管23次，然后装满旋光管，勿使留有气泡。由于温度已改变需将旋光管再置于恒温槽中恒温10min左右，取出擦干测定其旋光度（由于旋光度随时间在变，温度在观察过程中也在变化，所以在测定是要力求动作熟练迅速）。测定后将旋光管继续放入恒温槽中恒温。以后每隔5min测定一次，至少测定15个数据。,14,4、的测定蔗糖水解反应在30时需要48小时左右才能进行到底，为了加速反应进度，可将锥形瓶中的剩余混合溶液放到另一60恒温水浴中恒温1.5h左右（温度过高会引起其他副反应），使反应接近完成，取出冷却后装入旋光管中，再放入30水浴中恒温10min后，测定旋光度即为,值。试验结束后洗净旋光管，装满蒸馏水。,思考题在盐酸和蔗糖溶液混合时，为什么要将盐酸往蔗糖中倒？,旋光仪的使用（实验课讲）,15,1.设计实验数据表，记录温度、盐酸浓度、t、等数据，计算不同时刻时ln(t)。2.以ln(t)对t作图，由所得直线的斜率求出反应速率常数k。3.计算蔗糖转化反应的半衰期t1/2。4.由两个温度下测得的k值计算反应的活化能。,【数据处理】,16,实验三电动势的测定及其应用,掌握对消法测定电动势的原理及电位差计、检流计及标准电池使用注意事项及简单原理。学会制备盐桥的方法。了解可逆电池电动势的应用,目的要求,17,实验原理,电池电动势的测量必须在可逆条件下进行。首先要求电池反应本身是可逆的，同时要求电池必须在可逆情况下工作，即放电和充电过程都必须在准平衡状态下进行，此时只允许有无限小的电流通过电池。因此，需用对消法来测定电动势。,Ew:工作电池,Ex:待测电池,Es:标准电池,18,测定电极电动势可求算某些反应的H，S，G等热力学函数；电解质的平均活度系数，难溶盐的溶度积和溶液的pH值等数据。,例如：1、用电动势法求AgCl的Ksp。则需设计成如下电池：Ag(s)+AgCl(s)HCl(m)AgNO3(m)Ag(s)电池的电极反应为负极：,正极：,电池总反应：,电池电动势：E=右左,19,因为,所以,只要测得该电池的电动势，就可以通过上式求得AgCl的Ksp。,2、通过电动势的测定，求溶液的pH值，可设如下电池：Hg(l)+Hg2Cl2(s)饱和KCl溶液饱和醌氢醌的未知pH溶液Pt醌氢醌为等摩尔的醌和氢醌的结晶化合物，在水中溶解度很小，作为正极时期反应为：,其电极电势,因为,所以,20,Uj-25型电位差计1台，直流辐射式检流计1台，稳流电源1台，电位差计稳压电源1台，韦斯顿标准电池1台，银电极2支，铂电极、饱和甘汞电极各1支，盐桥玻管4根。镀银溶液，盐桥液，硝酸银溶液（0.100mol/L），未知pH液，盐酸液（0.100mol/L），（1mol/L），醌氢醌。,仪器与药品,实验步骤,本试验测定下列四个电池的电动势：Hg(l)+Hg2Cl2(s)饱和KCl溶液AgNO3(0.100m)Ag(s)Ag(s)KCl（0.01m）与饱和AgClAgNO3(0.100m)Ag(s)Hg(l)+Hg2Cl2(s)饱和KCl溶液饱和醌氢醌的未知pH溶液PtAg(s)+AgCl(s)HCl(0.100m)AgNO3(0.100m)Ag(s),21,为了消除液接电势，必须使用盐桥，其制备是用琼胶：KNO3：H2O=1.5：20：50的比例加入到锥形瓶中，于热水浴中加热溶解，然后用滴管将它灌入干净的U型管中，U型管中以及管两端不能留有气泡，冷却后待用。,1、盐桥的制备,2、电动势的测定（1）组成上述的4个电极。（2）将标准电池，工作电池，待测电池，检流计接至UJ25型电位差计上，注意正、负极不能接错。（3）校正工作电流先读取环境温度，校正标准电池的电动势。调解标准电池的温度补偿旋钮至计算值，将转换开关拨至“N”处，转动工作电流调节旋钮粗、中、细、微，依次按下电计旋钮“粗”、“细”，直至检流计示零。在测量过程中经常要检查是否发生偏离，加以校正。（4）测量待测电池电动势将转换开关拨向X1或X2位置，从大到小旋转测量旋钮，按下电计旋钮，“粗”、“细”，直至检流计示零，6个小窗口内读数即为待测电池电动势。试验完毕，把盐桥放在水中加热溶解，洗净，其他仪器复原，检流计断路放置。,22,电位差计的使用（实验课讲）,1、根据第2、4个电池的测定结果，求算AgCl的Ksp。,2、由第3个电池求未知溶液的pH值,数据处理,23,实验四最大气泡法测定溶液的表面张力,【实验目的】掌握最大气泡法测定表面张力的原理。了解影响表面张力测定的因素。测定不同浓度正丁醇溶液的表面张力，计算吸附量。由表面张力的实验数据求分子的截面积及吸附层的厚度。,24,【实验原理】,一、溶液中的表面吸附,表面功WA若A为1m2，则W是在恒温恒压下形成1m2新表面所需的可逆功，所以称为比表面吉布斯自由能，其单位为Jm-2；也可将看作为作用在界面上每单位长度边缘上的力，称为表面张力，其单位是Nm-1。,在定温下纯液体的表面张力为定值。当加入溶质形成溶液时，表面张力发生变化，其变化的大小决定于溶质的性质和加入量的多少。,25,根据能量最低原理，溶质能降低溶剂的表面张力时，表面层中溶质的浓度比溶液内部大；反之，溶质使溶剂的表面张力升高时，它在表面层中的浓度比在内部的浓度低，这种表面浓度与内部浓度不同的现象叫做溶液的表面吸附。,在指定的温度和压力下，溶质的吸附量与溶液的表面张力及溶液的浓度之间的关系遵守吉布斯(Gibbs)吸附方程：,0时，0称为正吸附；当,0时，0称为负吸附,26,当界面上被吸附分子的浓度增大时，它的排列方式在改变着，最后，当浓度足够大时，被吸附分子盖住了所有界面的位置，形成饱和吸附层（左图）。这样的吸附层是单分子层，随着表面活性物质的分子在界面上愈益紧密排列，则此界面的表面张力也就逐渐减小。以表面张力对浓度作图，可得到-C曲线。,从右图可以看出，在开始时随浓度增加而迅速下降，以后的变化比较缓慢。在-C曲线上任选一点a作切线，经过切点a作平行于横坐标的直线，交纵坐标于b点。以Z表示切线和平行线在纵坐标上截距间的距离，显然Z的长度等于C,27,根据朗格谬尔(Langmuir)公式：,为饱和吸附量，即表面被吸附物铺满一层分子时的，,以C/对C作图，得一直线，该直线的斜率为1/。由所求得的代入可求得被吸附分子的截面积So=1/N(N为阿佛加得罗常数)。,若已知溶质的密度，分子量M，就可计算出吸附层厚度,28,二、最大气泡法测表面张力,29,将待测表面张力的液体装于表面张力仪中，使毛细管的端面与液面相切，液面即沿毛细管上升，打开抽气瓶的活塞缓缓抽气，毛细管内液面上受到一个表面张力仪瓶中液面上大的压力，当此压力差附加压力(PP大气P系统)在毛细管端面上产生的作用力稍大于毛细管口液体的表面张力时，气泡就从毛细管口脱出，此附加压力与表面张力成正比，与气泡的曲率半径成反比，其关系式为：,式中，p为附加压力；为表面张力；R为气泡的曲率半径。,30,如果毛细管半径很小，则形成的气泡基本上是球形的。当气泡开始形成时，表面几乎是平的，这时曲率半径最大；随着气泡的形成，曲率半径逐渐变小，直到形成半球形，这时曲率半径R和毛细管半径r相等，曲率半径达最小值，根据上式这时附加压力达最大值。气泡进一步长大，R变大，附加压力则变小，直到气泡逸出。根据上式，Rr时的最大附加压力为：式中的仪器常数K可用已知表面张力的标准物质测得,31,【仪器试剂】最大泡压法表面张力仪1套；吸耳球1个；移液管(50mL，1支、1mL，1支)；烧杯(500mL，1只)。正丁醇(C.P.)；蒸馏水。,【实验步骤】1.仪器准备与检漏将表面张力仪容器和毛细管洗净、烘干。在恒温条件下将50mL蒸馏水注入张力仪中，通过抽气