物理化学实验讲义新69Word格式文档下载.docx

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恒温槽通常由下列构件组成：

1、槽体：

如果控制的温度同室温相差不是太大，则用敞口大玻璃缸作为槽体是比较满意的。

对于较高和较低温度，则应考虑保温问题。

具有循环泵的超级恒温槽，有时仅作供给恒温液体之用，而实验则在另一工作槽中进行。

2、加热器及冷却器：

如果要求恒温的温度高于室温，则须不断向槽中供给热量以补偿其向四周散失的热量；

如恒温的温度低于室温，则须不断从恒温槽取走热量，以抵偿环境向槽中的传热。

在前一种情况下，通常采用电加热器间歇加热来实现恒温控制。

对电加热器的要求是热容量小、导热性好，功率适当。

选择加热器的功率最好能使加热和停止的时间约各占一半。

3、温度调节器：

温度调节器的作用是当恒温槽的温度被加热或冷却到指定值时发出信号，命令执行机构停止加热或冷却；

离开指定温度时则发出信号，命令执行机构继续工作。

目前普遍使用的温度调节器是汞定温度计。

它与汞温度计不同之处在于毛细管中悬有以根可上下移动的金属丝，两根金属丝再与温度控制系统连接。

4、温度控制器：

温度控制器常由继电器和控制电路组成，故又称电子继电器。

从定温机来的信号，经控制电路放大后，推动继电器去开关电热器。

5、搅拌器：

加强液体介质的搅拌，对保证恒温槽温度均匀起着非常重要的作用。

设计一个优良的恒温槽应满足的基本条件是：

（1）定温计灵敏度高，

（2）搅拌强烈而均匀，

（3）加热器导热良好而且功率适当，

（4）搅拌器、定温计和加热器相互接近，使被加热的液体能立即搅拌均匀并流经定温计及时进行温度控制。

四仪器与药品

玻璃缸1个，秒表1个，温控仪1台，0～50℃的1/10的温度计1支，搅拌马达1个，电加热丝1个，蒸馏水、导线若干。

五实验步骤

1．根据所给元件和仪器，安装恒温槽，并接好线路。

经教师检查完毕，方可接通电源。

2．槽体中放入约3/4容积的蒸馏水，打开搅拌器，调节搅拌速度。

插上继电器，打开继电器开关。

3．旋松接点温度计上端的调节帽固定螺丝，旋转磁铁，使粗调温度较希望控制的温度低5-10℃，然后插上加热器插头进行加热。

4．当加热至水银柱与钨丝接触时，水银接点温度计处于通断的临界状态。

5．观察槽中的精密温度计，根椐其与控制温度差值的大小，进一步调节接点温度计，反复进行，直到设定温度止。

（注意调节速度，以免使实际温度超过所需要控制的温度）

6．将调节帽固定螺丝旋紧，使之不再转动。

7．记录温度随时间的变化值，绘制恒温槽灵敏度曲线。

（要求记录的数据能出现三个波峰三个波谷，即有三个最高点，三个最低点）

8．实验完毕后，关闭电源，整理实验台。

（注意千万不要忘记拔下加热器插头）

六数据记录及处理

1.数据记录：

时间（min）

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

温度℃

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

2.数据处理：

以时间为横坐标，温度为纵坐标作图，分析实验结果。

七思考题

1．利用实验数据确定实验所用恒温槽温度波动范围及灵敏度。

2．简单叙述继电器的工作原理。

3．对于提高恒温槽的灵敏度，可以从那些方面进行改进？

实验二燃烧热的测定

一预习要求

1．学习热化学的基本理论和基本知识，明确燃烧焓的定义，标准摩尔燃烧焓在热力学计算中的重要意义。

2．了解氧弹式量热计的基本原理和使用方法。

了解氧气钢瓶和减压阀的使用方法。

3．熟悉精密温度温差仪（贝克曼温度计或热敏电阻温度计）的调节和使用。

4．本实验操作步骤较多，要了解影响测定燃烧热的关键因素，对实验过程做到心中有数。

二实验目的

1．用氧弹热量计测定萘或蔗糖的燃烧热。

2．明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别。

3．会应用图解法校正温度的改变值。

三实验原理

燃烧热是指一摩尔物质完全燃烧时的热效应。

所谓“完全燃烧”，是指C变为CO2（g），H变为H2O（l），S变为SO2（g），N变为N2（g），Cl变为HCl（aq），金属都成为游离状态。

例如：

萘的完全燃烧方程式为

C10H8（s）+12O2（g）=10CO2（g）+4H2O（l）

萘的燃烧热的测定可以在恒容或恒压下进行。

由热力学第一定律可知：

在不做非膨胀功情况下，恒容燃烧热Qv=△U,恒压燃烧热Qp=△H。

在氧弹式量热计中测得燃烧热为Qv,即:

（2—1）

在盛有定量水的容器中，放入内装有一定量的样品和氧气的密闭氧弹，然后使样品完全燃烧，放出的热量传给测量体系，引起温度上升。

根据能量守衡可得：

（2—2）

其中：

m为待测物质的质量；

M为待测物质的摩尔质量；

q为单位质量燃烧丝的燃烧值；

m’为燃烧丝的的质量；

C为水的比热容；

W为已知的水量；

W’为仪器的水当量（量热计每升高1℃所需的热量，为量热系统除水以外的其它所有部分的总热容）。

、

分别为燃烧前﹑后体系的温度。

在量热系统温度变化区间小且没有相变化的情况下，（CW+W’）可视为常数。

另外因为燃烧丝所引进的热量小，因此在一般测定中常常略去qm’项，故：

（2—3）

欲测定物质的燃烧热QV，需要先测定仪器的当量W’，其求法是用已知标准燃烧热的标准物质（如本实验用苯甲酸，ΔCHmΘ（298.15K）=－3226.7kJ.mol-1）放在量热计中燃烧，测其始﹑末温度，按式（2-3）求W’。

一般因每次的水量相同，（CW+W’）可作为一个定值（W”）来处理。

令K=（CW+W’），实际测定中往往不是标定仪器的水当量而是直接标定K。

可求QV：

（2—4）

在较精确的实验中，辐射热，铁丝的燃烧热，温度的校正等都应予以考虑。

若供燃烧用的氧气中含有氮气时，则在燃烧过程中。

氮气氧化成硝酸而放出热量。

这部分热量亦不能略去。

因环境和量热系统之间不可能避免的存在相互热交换，对量热系统的温度变化值产生影响，这可以通过图解法来校正，其中系统热漏必须经过雷诺作图法校正。

校正方法如下：

称适量待测物质，使燃烧后水温升高1.5～2.0℃，预先调节水温低于环境0.5～1.0℃。

然后将燃烧前后历次观察的水温对时间作图，连成FHID折线，见图b

（1），图中H相当于开始燃烧之点，D为观察到最高的温度读数点，在环境温度读数点，作一平行线JI交折线于I，过I点作垂线ab,然后将FH线和GD线外延交ab于A、C两点。

A点与C点所表示的温度差即为欲求温度的升高△T。

图中AA’为开始燃烧到温度上升至室温这一段时间△t1内，由环境辐射和搅拌引进的能量而造成量热计温度的升高，必须扣除之。

CC’为温度由室温升高到最高点D这一段时间△t2内，量热计向环境射出能量而造成卡计温度的降低，因此需要添加上。

由此可见，AC两点的温差较客观地表示了由于样品燃烧促使温度计升高的数值，有时量热计的绝热情况良好，热漏小，而搅拌器功率大，不断稍微引进能量使得燃烧后的最高点不出现，这种情况下△T仍然可以按照同法校正，图b

（2）。

四仪器和药品

SHR-15燃烧热实验装置（氧弹量热计）1套；

压片机1台；

YCY-4充氧器；

氧气钢瓶（附氧气表）1个；

SWC—ⅡD精密温度温差仪（或贝克曼温度计）1台（支）；

容量瓶（1L）1个；

电吹风1个；

万用电表1个。

苯甲酸（标准量热物质,A.R.）；

萘（A.R.）；

或蔗糖（A.R.）。

五实验步骤

（一）苯甲酸燃烧标定仪器的水当量

1．仔细阅读《SWC－ⅡD精密数字温度温差仪说明书》。

熟悉氧弹装置。

（1）搅动棒

（2）外筒（3）内筒（4）垫脚

（5）氧弹（6）传感器（7）点火按键（8）电源开关

（9）搅拌开关（10）点火输出负极（11）点火输出正极

（12）搅拌指示灯（13）电源指示灯（14）点火指示灯

注：

此台为电脑控制点火，非电脑控制点火则控制背板中无“点火接口”。

2．压片及装样品

将量热计及全部附件加以整理并洗净。

首先，将量热计及其全部附件加以整理并洗净。

然后从盛水桶中取出氧弹，旋下弹头，置于弹头座上，取出燃烧坩埚，用蒸馏水洗净，吹干并准确称重至0.1mg，仍置于弹头的燃烧皿支架7上，从压片机上取下压模，用蒸馏水洗净，吹干。

用台天平称取约0.8g（不超过1g）已干燥得苯甲酸，倒入压模中，将压模置于压片机之上，转动旋柄，徐徐加压试样使其成为片状，（不能压得太紧，太紧会压断燃烧丝或点火后不能燃烧）。

然后抽出模底托板，将压片从压模中压出，除去压片表面的碎屑，将其放入燃烧坩埚中，再次准确称重至0.1mg。

然后再将燃烧坩埚置于燃烧皿支架上。

截取一段长约15cm的铁丝，将铁丝中间绕成小圆圈状（4－5圈），将铁丝两头分别紧绕在电极8的下端。

小圈与压片表面紧密接触最后将弹头放在弹体1上，旋紧弹帽2，用万用表检查两电极是否通路，若通路则可充氧气。

3．充氧

旋紧氧弹放气阀门，用紫铜管将氧弹充气阀门与钢瓶减压器出口接通。

先松开（逆时针旋转）钢瓶的总阀门，使高压表（表1）指针指向10Mpa左右。

缓缓旋紧减压器（顺时针旋转），使氧气徐徐通入氧弹内。

开始充入少量的氧气（0.5Mpa左右），然后旋紧总阀门，再松开氧弹放气阀门，借以赶走弹中空气，如此重复一次，以保证弹中空气赶尽。

最后充氧至约2Mpa，旋紧总阀门，3－5min后，由低压表（表2）指针是否下降来检查氧弹是否漏气。

若指针未下降，则表明氧弹不漏气，即可旋松减压器，将紫铜管与氧弹充气阀门联接的一端拆下。

由于总阀门与减压器之间有余气，因此要再次旋紧减压器，放掉余气，因此要再次旋紧减压器，放掉余气，然后再旋松减压器，使钢瓶氧气表恢复原状。

在充氧过程中，若发现异常，查明原因并排除之。

4．调节水温

将量热计外筒内注满水，缓慢搅动。

打开精密温度温差仪的电源并将其传感器插入外筒水中测其温度。

再用筒取适量自来水，测其温度，如温度偏高或相平则加冰调节水温使其低于外筒水温1度左右。

用容量瓶精取3000mL已调好温度的自来水注入内筒，水面刚好盖过氧弹。

如氧弹有气泡逸出，说明氧弹漏气，寻找原因并排除。

将电极插头插在氧弹两电极上，电极线嵌入桶盖的槽中，盖上盖子。

（注意：

搅拌器不要与弹头相碰。

）将两电极插入点火输出口。

同时将传感器插入内筒水中。

5．点火

打开SHR－15氧弹式量热计的电源，开启搅拌开关，进行搅拌。

水温基本稳定后，将温差仪“采零”并“锁定”。

然后将传感器取出放入外筒水中，记录其温差值，再将传感器插入内筒水中。

每隔1分钟读温差值一次（精确至±

0.002℃），直至连续10次水温有规律微小变化。

设置蜂鸣15秒一次，按下“点火”按钮，“点火灯”熄灭。

如配置软件，只需在电脑绘图界需上按下“点火按键”即可。

杯内样品一经燃烧，水温很快上升，点火成功。

每15秒记录一次，当温差变化至每分钟上升小于0.002℃，每隔1分钟读一次温度，连续读10个点，实验结束。

注意：

水温没有上升，说明点火失败，应关闭电源，取出氧弹，放出氧气，仔细检查加热丝及连接线，找出原因并排除。

6．校验

实验停止后，关闭电源，将传感器放入外筒。

取出氧弹，放出氧弹内的余气。

旋下氧弹盖，测量燃烧后残丝长度并检查样品燃烧情况。

样品没完全燃烧，实验失败，须重做；

反之，说明实验成功。

（二）测定萘的燃烧热

称取0.5g左右（不超过0.6g）已干燥的萘或称取1.0g左右已干燥的蔗糖，代替苯甲酸，同步骤

（一），测定萘或蔗糖的燃烧热。

六数据记录及处理

1．列表记录数据

m（苯甲酸＋燃烧皿）（）ｍ（萘＋燃烧皿）（）

m（燃烧皿）（）ｍ（燃烧皿）（）

m（苯甲酸）（）m（萘）（）

夹套水温（）夹套水温（）

盛水桶水温（）盛水桶水温（）

室温（）大气压（）

苯甲酸

萘

T/min

Q/℃

2．用雷若图解法求出苯甲酸和萘或蔗糖燃烧前后的温差。

3．计算仪器热容C。

4．求出萘或蔗糖的燃烧热。

七实验注意事项

1．待测样品必须干燥，否则不易燃烧，而且称量有误。

2．压片时，压力必须适中。

否则压片太紧，不易燃烧；

压片太松，又易炸裂残失，使燃烧不能完全。

3．电极切勿与燃烧皿接触，铁丝与燃烧皿亦不能相碰，以免引起短路。

4．待测样品必须完全燃烧，否则需要重做实验。

在燃烧第二个样品是，内筒水温须再次调节。

5．氧气遇油脂会爆炸。

因此氧气减压器、氧弹以及氧气通过的各个部件，各连接部分不允许有油污，更不允许使用润滑油。

如发现油垢，应用乙醚或其它有机溶剂清洗干净。

6．坩埚在每次使用后，必须清洗和除去碳化物，并用纱布清除粘着的污点。

7．精密温度温差仪“采零”或正式测量后必须“锁定”。

八思考题

1．燃烧热测定实验中，为什么要将氧弹中的空气赶净?

如果没有赶净氧弹中的空气，对实验结果有何影响，如何校正？

2．实验中，哪些因素容易造成误差？

如果要提高准确度应如何进行？

3． 

如何用萘的燃烧热数据来计算萘的标准生成热？

4． 

实验测量得到的温度改变值为什么还要经过雷诺图解法校正？

哪些误差来源会影响测量结果的准确性？

实验三液体饱和蒸气压的测定

1.明确蒸气压、正常沸点、沸腾温度的含义；

了解动态法测定蒸气压的基本原理。

2.了解真空泵、气压计的使用及注意事项。

3.了解如何检漏及实验操作时抽气、放气的控制。

4．了解纯液体的饱和蒸气压与温度的关系、克劳修斯-克拉贝龙（Clausius-Clapeyron）方程式的意义。

1．掌握静态法测定液体饱和蒸气压的原理及操作方法。

学会由图解法求其平均摩尔气化热和正常沸点。

2．了解真空泵、恒温槽及气压计的使用及注意事项。

在一定温度下，纯液体与其气相达平衡时蒸汽的压力称为该温度下液体的饱和蒸气压，简称为蒸气压。

蒸发1mol液体所吸收的热量称为该温度下液体的摩尔气化热。

液体的蒸气压随温度而变化，温度升高时，蒸气压增大；

温度降低时，蒸气压降低，这主要与分子的动能有关。

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，当外压为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劳修斯-克拉贝龙方程式表示：

　　　　（3-1）

：

摩尔汽化热（J·

mol-1）　　　　　R：

气体常数（8.314J·

mol-1·

K-1）

若温度改变的区间不大，

可视为为常数（实际上

与温度有关）。

积分上式得：

　　　　　（3-2）

或

　　（3-3）

（3-3）式表明

与

有线性关系。

作图可得一直线，斜率为

。

因此可得实验温度范围内液体的平均摩尔汽化热

　　　　（3-4）

当外压为101.325kPa（760mmHg）时，液体的蒸汽压与外压相等时的温度称为液体的正常沸点。

在图上，也可以求出液体的正常沸点。

液体饱和蒸汽压的测量方法主要有三种：

1.静态法：

将待测液体置于一个封闭体系中，在不同温度下，直接测定饱和蒸气压或在不同外压下测定液体相应的沸点。

静态法适用于蒸气压较大的液体.静态法测量不同温度下纯液体饱和蒸气压，有升温法和降温法二种。

图3-1 

液体饱和蒸气压测定装置图

2．动态法：

在不同外部压力下测定液体的沸点。

3．饱和气流法：

在液体表面上通过干燥的气流，调节气流速度，使之能被液体的蒸汽所饱和，然后进行气体分析，计算液体的蒸汽压。

本次实验采用升温法测定不同温度下纯液体的饱和蒸气压，所用仪器是纯液体饱和蒸气压测定装置，如图3-1所示：

液体饱和蒸汽测定仪1套；

真空泵1台；

玻璃恒温槽一台；

DP-A（YW）精密数字气压计、温度计。

蒸馏水。

1．装置仪器

橡胶管与管路接口装置、玻璃仪器、数字压力计等相互连接时，接口与橡胶管一定要插牢，以不漏气为原则，保证实验系统的气密性。

无冷阱用橡胶管将冷阱两端短路连接。

将待测液体装入平衡管，A球约2/3体积，B和C球各1/2体积，然后按图装妥各部分。

2．系统气密性检查

（1）缓冲储气罐的气密性检查：

①用橡胶管将进气阀与压力泵、装置1接口与数字压力表分别连接，装置2接口用堵头封闭。

②整体气密性检查：

a．将进气阀、平衡阀2打开，平衡阀1关闭（三阀均为顺时针关闭，逆时针开启）。

启动压力泵，压力罐中的压力值=数字压力表的显示值-当前大气压力。

b．停止压力泵工作，关闭进气阀，并检查平衡阀2是否开启，平衡阀1是否完全关闭。

观察数字压力表，若显示数字下降值在标准范围内（小于0.01Kpa/秒）,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。

c．微调部分的气密性检查：

关闭平衡阀2，用平衡阀1调整微调部分的压力，使之低于压力罐中压力的，观察数字压力表，其显示数字变化值在标准范围内（小于±

0.2Kpa/分），说明气密性良好。

若显示压力值上升超过标准，说明平衡阀2泄漏；

若显示压力值下降超过标准，说明平衡阀1泄漏。

（2）精密数字压力计的气密性检查

a．预压及气密性检查：

继续将缓冲储气罐装置2接口用堵头封闭，用平衡阀2缓慢加压至满量程，观察数字压力表显示值变化情况，若1分钟内显示值稳定，说明传感器及压力计本身无泄漏。

确认无泄漏后，泄压至零，并在全量程反复预压2~3次，方可正式测试。

b．采零：

泄压至零，使压力传感器与大气相通，按一下采零键，以消除仪表系统的零点漂移，此时LED显示“0000”。

尽管仪表作了精细的零点补偿，但因传感器本身固有的漂移（如时漂）是无法处理的，因此，每次测试前都必须进行采零操作，以保证所测压力值的准确度。

3．饱和蒸气压的测定

仪表采零后连接实验系统，即将缓冲储气罐装置2接口与实验系统连接，此时实验系统的压力等于大气压的值减去仪表显示值。

当空气被排除干净，且体系温度恒定后，旋转平衡阀1缓缓放入空气，直至B、C管中液面平齐，关闭平衡阀1，记录温度与压力。

然后，升高恒温槽温度3℃~5℃，当待测液体再次沸腾，体系温度恒定后，旋转平衡阀1放入空气使B、C管液面再次平齐，记录温度和压力。

依次测定，共测6个值。

关机：

先将实验系统泄压，再关掉电源开关（OFF）。

1.自行设计实验数据记录表格，正确记录全套原始数据并填入演算结果。

2.以测得的蒸汽压对温度T作图。

3.由P－T曲线均匀读取10个点，列出相应的数据表，然后给出对的直线图，由直线斜率计算出被测液体在实验温度范围内的平均摩尔汽化热，并与文献值比较。

4.由曲线求得待测液体的正常沸点，并与文献值比较。

1．减压系统不能漏气，否则抽气时达不到本实验要求的真空度。

2．抽气速度要合适，必须防止平衡管内液体沸腾过剧，致使B管内液体快速蒸发。

3．实验过程中，必须充分排除净AB弯管空间中全部空气，使B管液面上空只含液体的蒸气分子。

AB管必须放置于恒温水浴中的水面以下，否则其温度与水浴温度不同。

4．测定中，打开进空气活塞时，切不可太快，以免空气倒灌入AB弯管的空间中。

如果发生倒灌，则必须重新排除空气。

5.使用真空泵时，特别是关真空泵时，一定要防止真空泵中的真空油被吸入大真空瓶中去，要保证真空泵的出口连通大气时才能关真空泵。

就本实验而言，要保证大真空瓶上的三通活塞处于“╩”状态时才能切断真空泵的电源。

6．实验中调节平衡阀1、平衡阀2时，数字压力计显示的压力值有时有跳动现象属正常，待压力值稳定后再工作。

7．平衡阀1和平衡阀2是关系实验成败的主要因素之一，因此不能有泄漏现象。

在实验时，平衡阀1既是放气开关，也是压力微调开关，因此实验时一定要仔细、缓慢地调节。

同时，平衡阀2一定要关紧，以免因该阀泄漏而影响实验的顺利进行和准确性。

八思考题：

1.测量中为什么要将A-B管中的空气干净？

如何判断空气已经赶净？

2．标准沸点与沸腾温度有什么不同？

3．测量中为什么系统不能漏气？

实验四二组分液液相图的绘制

1．了解绘制双液系相图的基本原理和方法。

2．了解本实验中有哪些注意事项。

3．熟悉阿贝折射仪的使用。

1．绘制环已烷—乙醇双液体系的沸点组成图，确定其恒沸组成和恒沸温度。

2．掌握回流冷凝法测定溶液沸点的方法。

3．掌握阿贝折射仪的使用方法。

常温下，两种液态物质相互混合而形成的系统，称为双液系，若二种液体能按任意比例相互溶解，则称为完全互溶双液系。

在恒定压力下，表示溶液沸点与组成关系的相图称为沸点—组成图，即为T－x相图。

完全互溶双液系的T－x图可分为三类：

（1）理想双液系，溶液沸点介于两纯物质沸点之间如图4-1（a），如苯—甲苯系统等；

（2）各组分对拉乌尔定律发生正偏差，溶液具有最低恒沸点如图4-1（b），如苯－乙醇系统等；

（3）各组分对拉乌尔定律发生负偏差，溶液具有最高恒沸点如图4-1（c），如盐酸—水系