《高温物理化学试验》指导书（简版）

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高温物理化学试验指导书

院（系）冶金工程学院专业冶金工程、金属材料工程年级二年级课程名称高温物理化学

前言

1高温物理化学试验的目的

（1）使学生初步了解高温物理化学的研究方法，把握高温物理化学的基本试验技术和技能。帮助学生理解和运用理论知识，稳定并加深对物理化学基本原理和概念的理解，培养理论联系实际的作风。

（2）学会重要的物理化学性能测定，熟悉物理化学试验现象的观测和记录、试验条件的判断和选择、试验数据的测量和处理、试验结果的分析和归纳等一套严谨的试验方法，培养规律思维能力。

（3）通过一个一个的具体试验，了解和熟悉常用仪器的构造、原理及其使用方法，了解近代大型仪器的性能及其在生产、教学、科学研究中的应用，并为以后的工作、学习、科学研究打下坚实的基础。

（4）培养实事求是的科学态度，确凿、细致、整齐等良好的科学习惯以及科学的思维方法，培养敬业、一丝不苟和团队协作精神，养成良好的工作习惯。

2高温物理化学试验课程的学习方法

高温物理化学试验研究方法课程的学习不仅是后续课程的基础，而且是今后工作的基础。因此，学生在学习过程中应有明确的目标，培养对试验的兴趣，树立对试验的信心。学生要在试验中获得正确试验数据、在试验技能和方法方面获取知识，必需以学习者自己为主，发挥主观能动性，在试验过程中动手和动脑并举，付出艰苦的劳动。必需培养和坚持实事求是、一丝不苟的科学工作作风。因此要求学生们认真做到以下几个要求。（1）课前准备

①写出预习报告：内容包括：试验目的、试验原理、试验操作方法及步骤。书写要求简明扼要，切忌抄书和抄袭。待试验课时老师检查并记预习成绩分；

②试验课前细心阅读试验教材以及相关理论教材；③了解试验安全本卷须知、学生试验守则。（2）试验课中认真务实

①严格按试验内容与操作规程进行，要求认真务实，学生要做到―看‖、―想‖、―做‖、―记‖、―论‖。

②对于验证性和综合性试验，教师在课堂上重点讲授试验的目的意义、方法原理、仪器的构造与使用、数据的处理、做好试验的关键及难点，学生要把握这些知识点。同时教师在讲解时以提问的方式检查学生的预习状况，启发学生的思维，做到以学生为主体自己动脑和动手做试验，学生也可以向教师提问质疑，互动教学，活跃思维，让学生了解和把握更多的

1

物理化学试验方法和知识。

③原始数据的记录。要求记录当天的室温、大气压或试验温度，如实记录所有测试的试验数据。

④对于设计性试验，教师在课堂上根据学生的课前准备状况，认真进行点评与提醒，讲解试验的重点和难点，保证学生能顺利地完成试验，达到培养学生创新意识的教学目的。（3）试验报告的编写

①试验报告是试验的总结，把感性认识上升到理性认识，是培养学生思维能力的有效方法。试验报告要求字迹工整，整齐清洁，语句通顺，格式统一。试验报告内容包括：试验名称、试验日期、室温、外界大气压、试验目的、试验原理、仪器及试剂、数据处理、结果和探讨、结论及建议。

②数据处理与结果表达。试验数据经归纳，处理，才能合理表达和得出满意的结果，结果处理一般有列表法、作图法和数学方程法以及计算机处理等方法。

附：试验报告格式举例：：：

：

2

试验教学大纲

一、试验教学的目的和任务

高温物理化学试验是高温物理化学教学中的一个重要组成部分，高温物理化学试验不仅是后续课程的基础，而且是今后工作的基础。因此，要通过试验来培养学生对试验的兴趣，树立对试验的信心，要求学生要在试验中获得正确试验数据。同时，要求学生把握一定的试验技能和方法，必需以学习者自己为主，发挥主观能动性，在试验过程中动手和动脑并举，付出艰苦的劳动，必需培养和坚持实事求是、一丝不苟的科学工作作风。

二、试验教学的基本要求

通过各种类型的物理化学试验项目训练，把握物理化学试验技能、技术、手段和方法，培养独立工作能力和独立思考能力，培养细致试验操作和记录以及归纳、综合、正确处理数据，撰写科学论文的能力，培养分析试验结果的能力和一定的开展试验工作，进行科学研究和创新的能力，为今后的学习和工作打下坚实的基础。

三、试验课程内容（项目）及学时分派

序号试验项目名称内容提要1、用氧弹量热计测定蔗糖（或萘）的燃烧热；1燃烧热的测定2、了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的区别及相互关系；3、熟悉量热计，把握氧弹量热计的试验技术，学会雷诺图解法校正温度改变值。1、练习使用SWC-RJ溶解热测定装置测2溶解焓的测定定硝酸钾的积分溶解焓。2、学会用雷诺图解法对温差测量数据进行校正液体饱和蒸汽压的测定1.用等压计测定在不同温度下乙醇的饱和蒸汽压；2.学会由图解法求乙醇的平均摩尔汽化3

试验学时试验类型开出要求2验证型必做2验证型必做32验证型必做

热和正常沸点；3.熟悉等压法测定液体饱和蒸汽压的原理。1.用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制4步冷曲线法绘制二元合金相图绘Pb-Sn二元合金相图。2.了解热分析法的试验技术及热电偶测量温度的方法。1.了解表面张力的性质，表面吉布斯函数5溶液表面张力的测定及等温吸附的意义以及表面张力和吸附的关系；2.把握用最大泡压法测定溶液的表面张力的原理和技术；3.测定不同浓度乙醇水溶液的表面张力。1.把握电泳法测ζ电势的原理和技术；2.从试验现象中加深对胶体的电学性质的6电泳理解，即在外电场作用下，胶粒和介质分别向带相反电荷的电极移动，就产生了电泳和电渗的电动现象（因电而动）。1.用电导法测定乙酸乙醇皂化反应的速皂化反应速率常数及活化能测定率常数，了解反应活化能的测定方法；2.了解二级反应的特点，学会用图解计算法求出二级反应的速率常数及反应活化能。1.测定Cu－Zn电池的电动势和Cu、Zn原电池电动势和溶液pH值的测定电极的电动势；2.学会一些电极的制备和处理方法；3.把握电位差计的测量原理和正确使用方法。1.用凝固点降低法测定蔗糖的摩尔质量。9凝固点降低法测摩尔质量2.通过试验把握凝固点降低法测定摩尔质量的原理，加深对稀溶液依数性质的理解。10减重法测定铁矿石的还原度1、了解铁矿石的还原性是所含铁氧化物与气体还原剂CO、H2之间进行反应的能设计型选做4综合型选做2验证型必做2验证型必做2验证型必做2验证型必做2验证型必做784

力，即气体还原剂夺取矿石中与铁结合氧的难易程度。矿石还原性好坏在很大程度上影响了高炉冶炼的技术经济指标。2、了解还原性好的矿石，在中温区被气体还原剂还原出的铁就越多，可减少高温区热量损失从而有利于降低焦比，也可改善造渣过程。促进高炉稳定顺行，增加产量，改善生铁质量。炉渣粘度测定试验1、了解炉渣粘度的特点，理解它对高炉冶炼的影响，以及学习粘度的测定方法，2、了解有关炉渣粘度试验设备。设计型选做11四、考核方式

（1）本试验课程的考核方式，采用平日考核与期末随机抽考相结合的方式进行。凡是未抽考的以平日考核成绩为准，期末抽考的则抽考成绩和平日成绩各占50%。

（2）平日考核，试验教师应根据学生的试验预习状况（占10%）、实际操作状况（占50%），试验报告的好坏（占40%）

以及遵守有关试验规定的状况（酌情加减分）予以全面考核，综合给出试验成绩。考核细则详见物理化学试验室的有关规定。

（3）整个试验分为预习、试验、报告三个环节，三者缺一，则该试验记0分。（4）凡缺做试验达1/3的，或总评成绩低于60分的，则试验总成绩不及格。试验不及格的，需进行重修。

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目录

前言1试验教学大纲3目录6物理化学试验的一般知识错误！未定义书签。试验一燃烧热的测定错误！未定义书签。试验二溶解焓的测定38试验三液体饱和蒸汽压的测定12试验四步冷曲线法绘制二元合金相图49试验五溶液表面张力的测定及等温吸附错误！未定义书签。试验六电泳错误！未定义书签。试验七皂化反应速率常数及活化能测定25试验八原电池电动势和溶液pH值的测定76试验九凝固点降低法测摩尔质量82试验十减重法测定铁矿石的还原度87试验十一炉渣粘度测定试验91

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试验二溶解焓的测定

一、试验目的

1、练习使用SWC-RJ溶解热测定装置测定硝酸钾的积分溶解焓。2、使用雷诺图解法对温差测量数据进行校正。

二、试验原理

1、溶解热

溶解热－物质溶解于溶剂过程的效应称为溶解热。它有积分溶解热和微分溶解热两种。积分溶解热：是指在定温定压下把1mol溶质溶解在n0mol的溶剂中所产生的热效应，由于过程中溶液的浓度逐渐改变，因此也称为变浓溶解热以Qs表示。

微分溶解热：是指在定温定压下把1mol溶质溶解在无限量的某一定浓度的溶液中所产生的热效应。由于在溶解过程中溶液浓度可实际上视为不变，因此也称为定浓溶解热，以△diffH表示。

冲淡热－把溶剂加到溶液中使之稀释，其热效应称为冲淡热。它有积分(变浓)冲淡热和微分(或定浓)冲淡热两种。寻常都以对含有1mol溶质的溶液的冲淡状况而言。前者系指在定温定压下把原为含1mol溶质和n01mol溶剂的溶液冲淡到含溶剂为n02mol时的热效应。亦即为某两浓度的积分溶解热之差，以Qd表示。后者系指1mol溶剂加到某一浓度的无限量溶液中所产生的热效应，以??O??QS??表示。??n?O?T，P，nj2、积分溶解热由试验直接测定，其它三种热效应则可通过Qs~n0曲线求得：

设纯溶剂、纯溶质的摩尔焓分别为H1*、H2*，和溶液中的溶剂和溶质的偏摩尔焓分别为Hi1、Hi2，对于n1摩尔溶剂和n2摩尔溶质所组成的体系而言，在溶剂和溶质未混合前

H=n1H1*+n2H2*

当混合成溶液后

H’=n1Hi1+n2Hi2

因此溶解过程的热效应为

△H=H’－H=n1(Hi1－H1*)+n2(Hi2－H2*)=n1△H1+n2△H2

(2.1)

(2.2)

(2.3)

式中，△H2为在指定浓度溶液中溶质与纯溶质摩尔焓的差，即为微分溶解热。根据积分溶解热的定义：

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Qs=△H/n2=n1/n2△H1+△H2=n01△H1+△H2(2.4)

所以在Qs~n01图上，不同Qs点的切线斜率为对应于该浓度溶液的微分冲淡热，即

??QS??=AD/CD。该切线在纵坐标上的截距OC，即为相应于该浓度溶液的微分溶解??n???O?T，P，nj热△diffH。

而在含有1mol溶质的溶液中参与溶剂使溶剂量由n02mol增至n01mol过程的积分冲淡热Qd

Qd=（Qs）Qs）n01－（n02=BG－EG

(2.5)

O

n01

1Qs～n0关系图2－

C△diffH

Gn02

n0

OOQs

BA

Qd

ED3、本试验测硝酸钾溶解在水中的溶解热，是一个溶解过程中温度随反应的进行而降低的吸热反应。故采用电热补偿法测定。

先测定体系的起始温度T，当反应进行后温度不断降低时，由电加热法使体系复原至起始温度，根据所耗电能求出其热效应Q。

Q＝I2Rt＝IVt

(2.6)

式中，I为通过电阻为R的电阻丝加热器的电流强度(A)，V为电阻丝两端所加的电压(V)，t为通电时间(s)。

Q＝Kt（J）

式中K=IV

(2.7)

三．仪器和试剂

仪器：SWC-RJ溶解热测定装置1套，电子天平1台；杜瓦瓶1个；枯燥器1个；称量瓶8个；500ml容量瓶1个；500ml烧杯1个

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试剂：分析纯KNO3(均经120℃、2小时烘干并经研磨至粒度Φ0.5～1mm)，纯度≥99%（计算时按99%）

四．试验步骤

1、用电源线将仪器后面板的电源插座与～220V电源连接，将传感器插头接入传感器座，用配置的加热功率输出线接入―I+‖、―I-‖、―红——红‖、―兰——兰‖。2、开启电源开关，仪器处于待机状态，待机指示灯亮，如下图：

3、将8个称量瓶编号,在分析天平上分别确切称取2.5000g、、1.5000g、2.5000g、2.5000g、3.5000g、4.0000g、4.0000g和4.5g的硝酸钾（参考）并依次放入枯燥器中待用。4、在天平上称取216.2g蒸馏水放入杜瓦瓶内，放入磁珠，拧紧瓶盖，并放到反应架固定架上。

5、将O型圈套入传感器，调理O型圈使传感器浸入蒸馏水约100mm，把传感器探头插入杜瓦瓶内（注意：不要与瓶内壁相接触）。

6、按下―状态转换‖键，使仪器处于测试状态（即工作状态）。调理―加热功率调理‖旋钮，使功率P=2.5W左右。调理―调速‖旋钮使搅拌磁珠为试验所需要的转速。

7、试验时,因加热器开始加热初时有一滞后性，故应先让加热器正常加热，使温度高于环境温度0.5℃左右，按―温差采零‖键，仪器自动清零,立刻开启杜瓦瓶的加料口，按编号参与第一份样品，并同步计时，盖好加料口塞，观测温差的变化，等温差值回到零时，参与其次份样品，依次类推，每加一份料的同时，请同步记录计时时间，加完所有的样品。8、试验终止,按―状态转换‖键，使仪器处于―待机状态‖。将―加热功率调理‖旋钮和―调速‖旋钮左旋终究，关闭电源开关，拆去试验装置。

五、数据处理

1、计算nH2O。

2、硝酸钾的质量mkNO3＝mkNO（称取）?99%。

33、计算每次参与硝酸钾后的累计质量mkNO3和通电时间t。4、计算每次溶解过程中的热效应Q(按2.7式计算)。

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2、试验值的处理

（1）将试验测出的压力差数△p据取绝对值|△p|（2）乙醇液体饱和蒸气压p*求取

p*＝p校正－|△p|

将p*和lgp*数据记录于表3-2中

（3.6）

表3-2乙醇液体饱和蒸气压和测定室温℃大气压值p读=

kPa

t/℃3035404550

T/K303.15308.15313.15318.15323.151/T?1033.2993.2453.1933.1433.095△p/kPap校正p/kPa饱和蒸气压p*/kPalgp*3、用坐标纸作lgp*～1/T图，由图中求出乙醇在试验温度范围内

*的摩尔气化热?vapHm和正常沸

点Tb。本试验作图法训练是一重点。作lgp*~1/T图应线性良好。标明图名，注意坐标分度、标度、测点标注符明了可辨、线与轴夹角45?左右作图误差最小。两点式

图3-3.由lgP*～1/T图任意2点求斜率

求直线钭率取用回归线上相距大、分母整数易算的两点。如图3-3所示

4、关于试验结果的确凿度的探讨：

摩尔汽化热理论计算如下：

CH3CH2OH(l)CH3CH2OH(g)

ΔfH?m（KJ/mol）–277.63–235.31

ΔrHOm=ΣνiΔfHOm(生)-ΣνiΔfHOm(反)

(kJ/mol)

ΔrHOm=[1×(–235.31)]–[1×(-277.63)]=42.32

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试验误差要求不大于3%

六、本卷须知

1、认真检查体系是否漏气；

2、活塞要搞明白，不能随意，开启每个阀门要注意好；3、加热至沸不是指水而是指乙醇；4、减压法中都要把空气赶净；5、发现停水，马上中止试验；

6、监押时应注意缓慢，不可让乙醇冲入皮管中；7、试验终止要做好水电安全检查工作。

1、为什么要细心捡漏？怎样捡漏？2、怎样排除漏气现象？

3、至沸是乙醇沸，指的是哪里的乙醇？怎样知道乙醇已沸？4、液体饱和蒸汽压与哪些因素有关？5、为什么不得随便开启活塞？6、气泡赶不净对本试验有何影响？7、本试验用哪种方法做试验？

8、管2与管3内液面相平日，表示什么？9、为什么停水要即刻中止试验？10、试分析试验中可能产生误差的地方？

11、假使说不捡漏就进行试验，行否？会有什么后果？

附设备介绍

（一）DP－AF缜密数字压力计

DP-AF缜密数字压力计是低真空检测仪表,适用于负压的测量，可以代替U型水银压力计.消除其汞毒的特点。缜密数字压力计采用CPU对压力数据进行非线性补偿和零位自动校正，可以在较宽的环境温度范围内保证确凿度。

①单位键：选择所需要的计量单位；

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②采零键：扣除仪表的零压力值(即零点漂移)；

③复位键：程序有误时重新启动CPU；④数据显示屏：显示被测压力数据；⑤指示灯：显示不同计量单位的信号灯―单位‖键：当接通电源，初始状态为Kpa指示灯亮，显示以Kpa为计量单位的零压力值；按

一下―单位‖键，mmHg指示灯亮，LED显示以mmHg为计量单位的压力值。

①电源插座：与～220V相接；

②电脑串行口：与电脑主机后面板的RS232C串行口连接（可选配）；

③压力接口：被测压力的引入接口；④压力调整：被测压力满量程调整；⑤保险丝：0.2A。

①整体气密性检查

将进气阀、阀2开启，阀1关闭（三阀均为顺时针旋转关闭，逆时针旋转开启）。启动真空泵抽真空至压力为-100KPa左右，关闭进气阀、及真空泵。观测数字压力计，若显示数值无上升，说明整体气密性良好。否则需查找并清除漏气原因，直至合格。

②―微调部分‖的气密性检查

关闭阀2，用阀1调整―微调部分‖的压力，使之低于压力罐中压力的1／2，观测数字压力计，其显示值无变化，说明气密性良好。若显示值有上升说明阀1泄漏，若下降说明阀2泄漏。

用橡胶管将缓冲储气罐接口(2)与被测系统连接，接口(1)与数字压力计连接。关闭阀1，开启阀2，使―微调部分‖与罐内压力相等。之后，关闭阀2，缓慢开启阀1，泄压至低于气罐压力。关闭阀1，观测数字压力计，显示值变化≤0.01Kpa/4S，即为合格。检漏完毕，开启阀1使微调部分泄压至零。

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图3-4前面板示意图

图3-5后面板示意图

图3-6缓冲储气罐示意图

试验四步冷曲线法绘制二元合金相图

一、试验目的

1.用热分析法测熔融体步冷曲线，再绘制绘Bi-Sn二元合金相图。2.了解热分析法的试验技术及热电偶测量温度的方法。

二、试验原理

1.相图

相图是多相（二相或二相以上）体系处于相平衡状态时体系的某些物理性质（如温度或压力）对体系的某一变量（如组成）作图所得的图形，因图中能反映出相图平衡状况（相的数目及性质等），故称为相图。由于相图能反映出多相平衡体系在不同自变量条件下的相平衡状况，因此，研究多相体系相平衡状况的蜕变（例如钢铁及其它合金的冶炼过程，石油工业分开产品的过程），都要用到相图。由于压力对仅由液相和固相构成的凝聚体系的相平衡影响很小，所以二元凝聚体系的相图寻常不考虑压力的影响，而常以组成为自变量，其物理性质则取温度。

2.热分析法测绘步冷曲线

热分析法是绘制相图常用的基本方法。其原理是将体系加热融熔成一均匀液相，然后让体系缓慢冷却，用体系的温度随时间的变化状况来判断体系是否发生了相变化。记录体系的温度随时间的变化关系，再以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制成温度--时间曲线，称为步冷曲线（如图4－1）。从步冷曲线中一般可以判断在某一温度时，体系有无相变发生。当系统缓慢而均匀地冷却时，若系统内无相的变化，则温度将随时间而均匀地改变，即在T-t曲线上呈一条直线，若系统内有相变化，则因放出相变热，使系统温度变化不均匀，在T-t图上有转折或水平线段，由此判断系统是